Кристаллизация металлов
При нагреве и охлаждении аморфных тел (смола, стекло, пластмассы…) в момент перехода из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит (рис. 1.5). В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис. 1.5 видим, что температура плавленияТплравняется температуре кристаллизацииТкр, а переход из одного состояния в другое (из твердого в жидкое — точкаТпл, и из жидкого в твердое — точкаТкр) происходит скачкообразно.
По-другому ведут себя металлы (рис. 1.6). На участке 1–2происходит нагрев металла; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2–3 также подводится тепло, но температураТплне повышается, т. к. подводимое тепло целиком расходуетсяна разрушениекристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние. После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3, начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3–4.
При охлаждении (4–5) на горизонтальном участке 5–6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла осуществляется не при температуре плавленияТпл, а при некотором переохлажденииDt, величина которого зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.
Кристаллизация начинается с того, что при понижении температуры до значения Ткрначинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации(зародышами). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т. е.процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов: зарождения новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров.
Скорости роста и числа центров кристаллизации в зависимости от Dtизменяются по закону нормального распределения (рис. 1.7).
При переохлаждении (б) образуется мелкое зерно, т. к. кристаллы быстро образуются, но медленно растут, а при меньших (а) значениях Dtвозникает крупное зерно.Мелкокристаллический металл более твердый и прочный, чем крупнокристаллический. Следовательно, подбором температуры переохлажденияDtможно регулировать механические характеристики металла. Многое зависит от количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации. Чем больше этих частиц, тем меньше зерна металла.
Влияние степени переохлаждения Dtна процесс кристаллизации хорошо видно в структуре слитка (рис. 1.8). Полученная в конверторе или в мартене сталь (0,5–3 т) заливается в изложницу. Большой перепад температур (свыше 1500° С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате — на поверхности слитка, т. е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур при кристаллизации возникнут крупные, а между ними — столбчатые кристаллы.
Российские ученые и практикисделали много открытий в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил Васильевич Ломоносов, об этом свидетельствует написанный им в 1763 году труд «Первые основания металлургии или рудных дел».
Дмитрий Иванович Менделеев систематизировал в периодической таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения (из известных в то время 63 химических элементов 50 были металлами). Один из родоначальников металлургии — русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797–1851 гг.), работавший в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел секрет булатной стали, заложил основы легирования стали (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов к стали).
Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921 гг.) — основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе в Санкт-Петербурге.