1. Кристаллизация металлов, охлаждение чистого железа, его модификации;

Металлы - неорганические, крупнокристаллические, абсолютно плотные вещества, обладающие специфическими свойствами: металлическим блеском, высокой прочностью, электро- и теплопроводимостью..

Кристаллизация - процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Кристаллизация состоит из двух процессов: 1)зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и 2)роста кристаллов из этих центров.

С понижением температуры подвижность ионов падает и вблизи температуры плавления образуются скопления атомов, в которых они расположены, как в кристаллах, правильными рядами и они начинают обрастать новыми слоями. Такие скопления являются центрами кристаллизации (зародышами). Кристаллы свободно растут до тех пор, пока со всех сторон их окружает жидкий металл. По достижению температуры затвердевания, вновь образуется кристаллическая решетка и металл переходит в твердое состояние.

Чистое железо(суммарное содержание примесей — до 0,1%, углерода — до 0,02%). Технически чистое железо мягкое(не твёрдое)устойчиво к коррозии, обладает повышенной электропроводностью и очень высокой пластичностью.

До температуры 1539 °С происходит охлаждение жидкого железа. На кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает, и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 °С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При 1392 °С на кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением α-железа (Feα) в -железо (Fe ), имеющее гранецентрированную кубическую решетку.

При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации: вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации(перекристаллизацией)

Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре 911 °С по причине превращения Fe в Feα. Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемно-центрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур.

Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 °С, связана с перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 °С железо магнитно, а выше – немагнитно.

Чистое железо кристаллизуется в виде трех модификаций α, и β(α-феррит, аустенит и β-феррит), каждая из которых устойчива в своем интервале температур. Модификации α и β обладают одинаковой кубической пространственно центрированной решеткой и представляют собой, - строго говоря, одну фазу. β-Fe отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика. Его не выделяют как отдельную фазу, и рассматривает как разновидность α-Fe; модификация является кубической гранецентрированной решеткой.

2. Виды сплавов, основные составляющие структуры сплавов

Сплавы - сложные кристаллические вещества, которые обладают свойствами металлов.

Виды сплавов:

1) По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые — прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений(карбиды вольфрама или титана).

2) По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (чугуны), деформируемые (стали) и порошковые сплавы.

3) В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным — состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).

Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (карбиды, нитриды) и кристаллиты простых веществ.

Структурные составляющие:

1) Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. При температуре 723° С предельное содержание углерода 0,02 %. При отсутствии примесей не корродирует.

2) Цементит – карбид железа Fe3C – химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Способен образовывать твердые растворы путем замещения атомами других металлов, неустойчив, распадается при термической обработке. Цементит очень тверд (НВ 800) и хрупок.

3) Аустенит – твердый раствор углерода в γ–Fe. Атомы углерода внедряются в кристаллическую решетку, причем насыщение может быть различным в зависимости от температуры и примесей. Устойчив только при высокой температуре, а с примесями Mn, Сг – при обычных, даже низких температурах. Твердость аустенита НВ 170-220.

4) Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита, образуется при распаде аустенита при температуре 723° С и содержании углерода 0,83 %. Твердость перлита НВ 160-260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

5) Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1130° С и содержании углерода 4,3 % Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ 700) и хрупок.

6) Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугуна, состоящая из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.