Кристаллизация металлов

---

Переход металла из жидкого состояния в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. Она протекает вследствие перехода системы из термодинамически неустойчивого состояния в термодинамически устойчивое состояние, т.е. из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Энергетическое состояние системы принято характеризовать свободной энергией. Свободной энергией называется часть полной энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении температуры, полиморфных превращений, плавлении и т.д. при равновесной температуре Т_S величины свободной энергии металла в жидком и твердом состоянии равны; металл в обоих состояниях находится в равновесии. При температуре выше Т_S более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. Процесс кристаллизации будет развиваться в том случае, если жидкий металл охладить ниже Т_S. Разность между равновесной температурой Т_S и фактической температурой Т_К называется степенью переохлаждения.

∆Т = Т_S - T_K.

Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д.К.Черновым, который дал теоретическое обоснование всех важнейших превращений, происходящих в жидком металле при переходе его в твердое состояние. Выводы Д.К.Чернова получили практическое применение и послужили базой для современного учения о кристаллизации. Сущность этого учения состоит в следующем.

В жидком металле происходит постоянное движение атомов. По мере понижения температуры это движение замедляется, атомы начинают сближаться, группироваться, образуя первичные кристаллы, которые получили название зародышей, или центров кристаллизации (Рис.9.). Затем происходит рост кристаллов вокруг этих центров за счет жидкого металла. Одновременно продолжается образование новых центров кристаллизации. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: 1) образование центров кристаллизации; 2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Рис.9. Последовательные этапы процесса кристаллизации

а – появление зародышей кристаллов; б – рост кристаллов и образование новых центров; в – рост кристаллов; г – границы кристаллов (зерен) затвердевшего металла.

Вначале рост кристаллов не встречает препятствий, поэтому растущие кристаллы еще сохраняют правильную форму. В дальнейшем жидкого металла остается меньше, а растущих кристаллов больше. В месте соприкосновения кристаллов рост их прекращается, он продолжается в тех направлениях, где нет препятствий. В результате правильность формы растущих кристаллов нарушается. Получаются группы кристаллов неправильной формы – зерна. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и прежде всего от скорости охлаждения металла. Чем больше скорость охлаждения металла, тем быстрее он затвердевает, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, тем меньшего размера получаются зерна. Мелкое зерно при затвердевании металла образуется в случае создания искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название модифицирование. Форма растущих кристаллов зависит не только от условий их столкновения между собой, но также от состава сплава, наличия примесей и условий охлаждения. Механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер. Обычно в направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении, в результате образуется древовидный кристалл – дендрит. Схематическое изображение дендрита впервые было сделано Д.К.Черновым (Рис. 10.).

Рис.10. Схема дендрита

Дендритное строение кристаллов является типичным для литого металла. Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок изложницы. При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы он подвергается интенсивному охлаждению, приводящему к образованию огромного числа центров кристаллизации. Из-за большой скорости охлаждения, образовавшиеся кристаллы не успевают вырасти до значительных размеров, и поэтому первая зона слитка имеет мелкозернистое строение (Рис.11.).

Рис.11. Схема строения слитка

1 – зона мелких кристаллов, 2 – зона столбчатых кристаллов, 3 – зона крупных равноосных кристаллов

После образования первой зоны условия кристаллизации изменяются. Снижение температур охлаждаемого металла и повышение температуры стенок изложницы приводят к уменьшению скорости охлаждения. Для этой стадии кристаллизации характерен направленный отвод тепла перпендикулярно стенкам изложницы, поэтому кристаллы образующиеся в этот момент, растут перпендикулярно стенкам изложницы вовнутрь жидкого металла. Это приводит к образованию второй зоны слитка – зоны столбчатых кристаллов. В процессе дальнейшей кристаллизации направленность отвода тепла теряется, скорость охлаждения уменьшается, и поэтому в центральной части слитка образуются крупные равноосные кристаллы. Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый, поэтому в верхней части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина.

Методы исследования структуры металлов.

Макроанализ. Этим методом определяется макроструктура, т.е. структура металла или сплава, видимая невооруженным глазом или при небольших увеличениях, не превышающих 10-кратных.

При исследовании макроструктуры можно выявить:

а) дефекты слитка: трещины значительной величины, величину и форму усадочных раковин и рыхлостей – газовые пузыри, неметаллические включения;

б) неравномерное распределение отдельных примесей, входящих в состав стали (ликвация);

в) расположение волокна в поковках, прокате и т.д.

Макрошлифы изготовляют следующим образом. Из исследуемого металла или сплава вырезают образец, отшлифовывают одну из поверхностей, а затем травят эту поверхность реактивами (серной, соляной и другими кислотами). Поверхность травленого шлифа рассматривают при небольшом увеличении. Для определения химической неоднородности, т.е. неравномерного распределения в металле серы и фосфора, бромосеребряную фотобумагу смачивают 5-процнетным раствором серной кислоты, просушивают до удаления остатков кислоты и плотно прижимают к отшлифованной поверхности. Места, богатые серой, дадут на бумаге более темные отпечатки.

Микроанализ. Микроанализ выявляет структуру металла или сплава, видимую при большом увеличении – до 3500 раз, а в электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Эта структура называется микроструктурой (Рис.12.).

При исследовании микроструктуры можно выявить:

а) наличие неметаллических включений;

б) величину, форму и расположение зерен;

в) отдельные структурные составляющие сплава;

г) различные микродефекты (волосовины, трещины, раковины);

д) качество термической обработки, глубину закалки, цементации, азотирования и др.

для изучения микроструктуры применяют микрошлифы, изготовленные тонким шлифованием и полированием. После полирования шлифы травят. Для травления чугуна и стали, служит 4-процентный раствор азотной кислоты в спирте, для травления алюминиевых сплавов – 0,5 – процентный раствор фтористой кислоты в воде.

а б

Рис.12. Микроструктуры: а – алюминиевой бронзы;

б – стали.

Рентгеновский анализ. Рентгеновский анализ применяется для следующих видов исследования металлов:

а) структуры кристаллов: формы кристаллической решетки и ее параметров;

б) определение внутренних дефектов.

Рентгеновские лучи имеют очень короткую длину волны, измеряемую в ангстремах (10^-8см = 0,0000001см). Поэтому, когда они направлены на кристаллическую решетку испытываемого образца, они отражаются от ее атомов. Отраженные лучи либо усиливают падающие лучи, либо ослабляют их. Усиленные лучи дают темные пятна, на фотопластинке появляется группа пятен, имеющих определенное расположение. По характеру расположения пятен определяют форму кристаллической решетки и ее параметры.

Спектральный анализ. Химический состав металлических сплавов и других веществ можно исследовать по спектру, получающемуся от свечения их в раскаленном состоянии. Когда металлы или сплавы раскалены до состояния газа или пара, они дают характерную для каждого элемента линию спектра.

Термический анализ. Термический анализ основан на том, что в процессе нагревания и охлаждения металлов и сплавов структурные превращения всегда сопровождаются выделением или поглощением тепла. Термический анализ выявляет эти тепловые эффекты, на основании чего строятся кривые охлаждения и таким образом определяются фазовые превращения.

Дефектоскопия металлов и сплавов. Дефектоскопия металлов позволяет выявить внутренние дефекты без нарушения целостности деталей. Существуют магнитная и ультразвуковая дефектоскопия. Магнитный метод применяется для исследования дефектов в ферромагнитных металлах, например в стальных изделиях, никеле и кобальте.

Этим методом выявляются дефекты, на глубине – до 2 мм (непровар шва, трещины, неметаллические включения). Сущность способа состоит в том, что детали, имеющие дефекты, намагничивают, затем на поверхность деталей ферромагнитный порошок, например порошок железа. Дефекты металла обладают низкой магнитопроницаемостью и рассеивают магнитные силовые линии, вследствие чего по краям дефектов образуются магнитные полюсы. Магнитные силовые линии как бы огибают контуры дефектов, замыкаясь в полюсах. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества изделий и заготовок из любых металлов на большой глубине и выявлять в них дефекты без разрушения контролируемых изделий. Для контроля металлов применяют ультразвуковые волны с частотой колебаний 2 – 10 млн. гц. Эти волны возникают при колебании пластинки из кварца или титана бария зажатой между двумя металлическими пластинками, к которым подключен переменный ток, под действием тока пластинки будут колебаться в такт электрическим колебаниям. В результате колебаний создаются звуковые волны, они направляются на поверхность изделия. Эти волны вначале вызывают колебания поверхностных слоев металла, а затем передаются вглубь и проходят через всю толщу металла. Если на пути встретится дефект, интенсивность ультразвука измениться. По изменению интенсивности ультразвука, проходящего через дефектное место, выявляют дефект.

Свойства металлов.

Чтобы судить о том, насколько различные металлы и сплавы пригодны для изготовления деталей машин, необходимо знать какими свойствами они обладают и отвечают ли эти свойства требованиям, предъявляемым к готовым изделиям.

Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов относятся электрические, магнитные, тепловые свойства, а также цвет металлов и плотность (Таблица.1.).

Цвет металлов. По цвету, металлы условно подразделяются на две группы: черные и цветные. Черные – сплавы железа – чугун и сталь, цветные все остальные. Металлы непрозрачны. В отраженном свете металлы имеют внешний блеск, причем каждый металл характеризуется своим особым оттенком этого блеска, или, как говорят, цветом.

Плотность. Плотностью называется количество данного вещества (его масса), содержащаяся в единице объема.

Плавкость. Металлы обладают способностью расплавляться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Температура, при которой металл переходит полностью в жидкое состояние, называется температурой плавления. Знание температуры плавления металлов имеет большое значение, особенно в литейном деле, когда производится расплавление металлов и заполнение ими специальных форм, а также при паянии, сварке и других процессах, сопровождающихся плавлением металлов.

Теплопроводность. Теплопроводностью называется способность металлов с различной скоростью проводить тепло при нагревании и охлаждении. Единицей измерения теплопроводности служит количество тепла, распространяющегося по металлу от места нагрева через единицу площади его поперечного сечения в единицу времени при изменении температуры на единицу длинны в один градус.

Тепловое расширение. Тепловое расширение представляет собой свойство металла расширяться при нагревании. Изменение объема и линейных размеров металлов в зависимости от температуры необходимо учитывать во многих практических случаях.

Величина теплового расширения у металлов неодинакова. Чтобы оценить величину изменения длины металла при нагревании или охлаждении, точными приборами определяют изменение длины образца из данного металла и вычисляют, какое удлинение приходится на 1 мм длины при изменении температуры на 1º. Это удлинение называется коэффициентом теплового линейного расширения. При расчете теплового расширения объема изделий следует учитывать, что коэффициент теплового расширения β равен утроенному коэффициенту линейного расширения α, т.е. β=3α..

Теплоемкость. Теплоемкость – это способность металла поглощать тепло. Удельная теплоемкость характеризуется количеством тепла в больших калориях, которое необходимо, чтобы повысить температуру 1 кг металла на 1 ºС.

Электропроводность. Электропроводностью называется способность металлов проводить электрический ток. Лучшими проводниками являются те металлы, которые оказывают наименьшее сопротивление прохождению электрического тока. Сравнивать электросопротивление различных металлов принято с помощью величин удельного электрического сопротивления, т.е. сопротивления в омах, которое оказывает току проволока из данного металла длиной 1м и сечением 1мм².

Магнитные свойства металлов. Магнитностью называется свойство металла намагничиваться или притягиваться магнитом. Подобными свойствами обладают железо и его сплавы. Наиболее заметно магнитные свойства выражены у железа, никеля, кобальта и их сплавов, называемых за эти свойства ферромагнитными.

Таблица.1. Физические свойства некоторых металлов