1.2.Строение и кристаллизация металлов

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных друг относительно друга под различными углами. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Линейный размер зерен составляет 1–10⁴ мкм.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что кристаллическое строение твердых тел, состоящих из различных атомов, описывается 14 различными типами пространственных элементарных ячеек.

Наиболее широко применяются металлы и сплавы, образованные одним из трех типов пространственных решеток, определяемых отдельно взятой элементарной ячейкой: объемноцентрированной кубической ОЦК (–Fe, –Fe, –Fe, Cr, W, Mo, V и др.); гранецентрированной кубической ГЦК (–Fe, Cu, Al, Ni, Pb и др.); гексагональной плотноупакованной ГПУ (Ti, Mg, Zn, Be и др.) (рис. 2.1).

a б в

Рис. 2.1. Атомно-кристаллическое строение металлов с объемноцентрированной кубической (а); гранецентрированной кубической (б) и гексагональной плотноупакованной (в) элементарными ячейками

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Подвижность атомов при снижении температуры уменьшается, устанавливается определенный порядок в их расположении с образованием отдельных групп атомов, близких к элементарным ячейкам, имеющимся в твердом металле. Возникают центры кристаллизации – зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией [30].

Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура–время. На рис. 2.2 изображены кривые охлаждения металла и двухкомпонентного сплава. При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1–2 рис. 2.2,а) понижение температуры идет плавно. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (рис. 2.2,а) появляется горизонтальный участок 2–3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3–4 рис. 2.2,а).

Рис. 2.2. Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)

При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (рис. 2.2,б). Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2 – 3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходит, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем происходит одновременная кристаллизация компонентов при постоянной температуре (участок 3–4 рис. 2.2,б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4–5.

Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой. При нагревании твердых металлов или сплавов процесс их расплавления сопровождается поглощением теплоты.