2. Кристаллизация металлов и сплавов. Зависимость размеров и формы кристаллов от условий охлаждения

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах «температура — время»

Идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре TS. При достижении идеальной температуры затвердевания ТS падение температуры прекращается. Каждый чистый металл кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

1) зарождение кристаллов (зародышей или центров кристаллизации);

2) рост кристаллов из центров. При переохлаждении сплава ниже температуры ТN на многих участках жидкого металла образуются кристаллические зародыши:

1) образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют правильную геометрическую форму;

2) при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается;

3) рост кристалла продолжается в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла;

4) кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму (их называют кристаллитами, или зернами).

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Они являются центрами кристаллизации. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по строению и параметрам решетки кристаллизующегося металла. На образование центров кристаллизации

влияет и скорость охлаждения.

3. Типы кристаллических решеток

Кристаллическая решетка — это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл.

В аморфных телах (стекле, пластмассах) в отличие от кристаллов атомы или молекулы расположены

беспорядочно, хаотично.

Формирование кристаллической решетки в металле происходит:

1) при переходе металла из жидкого в твердое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают;

2) при сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках, теряют связь со своими атомами

вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т.д.;

3) происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между ионами и свободными электронами возникают электростатические силы притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь

между частицами металла называют металлической.

Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Ионы находятся на таком расстоянии один от другого, при котором потенциальная энергия

взаимодействия минимальна. В металле ионы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Такое расположение ионов обеспечивается взаимодействием их с валентными электронами, которые связывают ионы в кристаллической решетке. Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) — -Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) — -Fe, Al, Сu и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — Mg, Zn и др.

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом его объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой.