1.1.2. Понятие о плавлении и кристаллизации металлов и сплавов

Около 80% химических элементов приходится на долю металлов.

Но зачастую дешевле, прочнее и практичнее не сами чистые Ме, а вещества получаемые их сплавлением т.е. сплавы.

Например: σ_вAl=60 МПа, σ_вД16=540 МПа,

σ_вCu=150 МПа, σ_вЛ80=550 МПа, σ_{вБрОФ7-0,2}=920 МПа.

Сплавы получают сплавлением 2-х и больше химических элементов, методами порошковой металлургии, диффузии и др.

Известно, что вещества могут находиться в зависимости от температуры в твердом, жидком, газообразном, плазменном агрегатных состояниях.

Переход металлов и сплавов из твердого состояния в жидкое называют плавлением, а из жидкого в твердое – кристаллизацией.

Следует заметить, что при невысоких скоростях охлаждения металлических расплавов они приобретают упорядоченное (кристаллическое) строение.

Сверхвысокие (порядка более 10⁵°С/сек) скорости охлаждения практически фиксируют характерное для жидкого расплава неупорядоченное расположение атомов после затвердевания. Так получают аморфные (металлические) стекла, имеющие специфические свойства.

Остановимся на рассмотрении классических положений процессов протекающих при равновесных (обычных для практики) плавлении и кристаллизации. С термодинамической точки зрения протекания всех явлений в природе вызвано стремлением любой системы к минимальному запасу свободной энергии. Поэтому естественно шарик более устойчив в положении 2 нежели 1 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схематическое представление состояния системы

Если обозначить изменение свободных энергий жидкого и твердого металла графиками (рисунок 2) то точка Тs при переходе слева направо является температурой плавления и наоборот – кристаллизации. При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Рисунок 2 – Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

Но для плавления недостаточно достигнуть температуры равновесия Тs, необходим некоторый энергетический толчок – перегрев , равно как и для кристаллизации – переохлаждение .

Этим и объясняется некоторый температурный гистерезис реальных температур плавления или кристаллизации (по сравнению с теоретической). Кривая охлаждения (рисунок 3) чистого металла из жидкого состояния показывает: чем быстрее охлаждение расплава, тем больше ΔТ_П (степень переохлаждения), тем ниже реальная Т кристаллизации. Причем, чем меньше примесей в металле, тем больше он склонен к переохлаждению (до 10 – 30°С).

Рисунок 3 – Кривые охлаждения при кристаллизации

В конце ХIХ в Д.К.Чернов предложил, а затем Тамман, Богвар, Миркин развели теорию кристаллизации. В первом приближении можно рассмотреть как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема процесса кристаллизации

Процесс кристаллизации состоит из 2-х этапов: появления зародышей кристаллов и их роста (рисунок 5). Поскольку для нормальных металлов реализуются восходящие ветви кривых, то

- для получения крупнозернистой структуры нужно ΔТ_min (малое переохлаждение). При этом Ч.Ц. – мало, С.К. – велико.

- для получения мелкозернистой структуры – ΔТ_max.

Мелкозернистый металл – более прочен.

Рисунок 5 – Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения

Самопроизвольное (спонтанное) зарождение центров затруднительно, поэтому, добавляя изоморфные (параметр решетки ≤9%) примеси порошков, можно увеличить число центров. Данный процесс называется модифицированием. По механизму воздействия различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.

2. Поверхностно – активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

Магниевые сплавы модифицируют магнезитом, графитом, мелом;

алюминиевые – Ti, V, Zr;

стали – Al, Ti;

чугун – Mg.