1.4. Кристаллизация металлов

1.4.1. Термодинамические условия кристаллизации

Кристаллизация – переход из жидкого состояния в твердое. Этот процесс обусловлен изменением свободной энергии системы (энергии Гиббса): термодинамически устойчивому состоянию соответствует меньшая свободная энергия (рис. 5).

При равновесной температуре кристаллизации ТР свободная энергия жидкой и твердой фаз равны (Gж=Gт) и обе фазы могут существовать одновременно. Кристаллизация пойдет при переохлаждении жидкого металла ниже ТР, когда свободная энергия твердой фазы станет меньше свободной энергии жидкой фазы GТ<GЖ и появится G>0 (рис.5). Разность равновесной и фактической температур кристаллизацииТ=ТР–ТК называется степенью переохлаждения, обычноТ=10..30 °С.

Рис. 5. Изменение энергии Гиббса металла в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры

1.4.2. Кинетика процесса кристаллизации. Критический зародыш.

При кристаллизации одновременно идут два процесса: образование зародышей (центров) кристаллизации и их рост. Зародыш минимального размера, устойчивый и способный к росту, называется критическим зародышем RКР. Зародыш меньшего размера будет растворяться в жидкой фазе. Размер критического зародыша зависит от степени переохлаждения: чем больше ΔТ, тем меньше RКР.

По мере развития процесса кристаллизации зародыши растут свободно, правильной геометрической формы, при их соприкосновении форма нарушается. Металл приобретает поликристаллическую структуру, состоящую из кристаллов неправильной формы – зёрен (рис.6). Размеры зёрен зависят от соотношения скоростей зарождения и роста зародышей. При малых степенях переохлаждения диффузионные процессы роста зародышей преобладают, их число невелико, и формируется крупнозернистая структура. С увеличением ΔТ диффузия атомов резко снижается, преобладает процесс роста числа зародышей и образуется мелкое зерно.

Размер зерна сильно влияет на механические свойства: у металла с мелким зерном выше прочность, пластичность и, особенно, вязкость. Для получения мелкого зерна широко применяют модифицирование – введение в расплав добавок, которые препятствуют росту зерна или создают много центров кристаллизации в виде тугоплавких дисперсных частиц, карбидов, нитридов и др.

Рис. 6. Схема образования поликристаллической структуры.

1.4.3. Структура металла

Строение металла, наблюдаемое невооруженным глазом, называют макроструктурой. Структуру, наблюдаемую в оптическом металлографическом микроскопе (при увеличении от 100 до 2000 крат), называют микроструктурой. Основными элементами микроструктуры поликристаллического металла являются зерна, их форма, размеры и характер взаимного расположения. Макро- и микроструктуру металлов изучают на специально приготовленных макро- и микрошлифах.

Атомно-кристаллическое строение (тонкую структуру) исследуют методами дифракции рентгеновских лучей, электронной микроскопии.

2. Механические свойства металлов

Рабочие нагрузки (напряжения) вызывают в деталях машин деформации и разрушения. Напряжение – сила, действующая на единицу площади. Нормальные напряжения, σ – вызывают растяжение, сжатие, касательные напряжения, τ – сдвиг, кручение. Различают упругую и пластическую деформацию. Упругая деформация – исчезает после снятия нагрузки, а пластическая деформация – остается, изменяя форму и размеры детали, структуру и свойства металла.

К основным механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость и выносливость. Их определяют при статических, динамических или циклических испытаниях.

2.1. Характеристики механических свойств, определяемые при статическом растяжении

а)

σ

Испытания на растяжение проводят на специальных машинах и стандартных образцах с начальной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0 (рис. 8 а). Растягивающая нагрузка Р нарастает плавно, образец постепенно удлиняется и разрушается. При этом записывают диаграмму растяжения в координатах “нагрузка – удлинение образца”, которая приводится к диаграмме условных напряжений в координатах “напряжение (σ) - относительное удлинение (δ)” (рис.7). Напряжение – нагрузка (сила), действующая на единицу площади (σ=P/F0, МПа).

а)

б)

Рис.7. Диаграммы растяжения пластичного (а) и малопластичного (б) материалов

Тангенс угла наклона линейного участка диаграммы растяжения характеризует модуль упругости E=tgα.