Кристаллизация металлов

В жидком металле при высоких температурах атомы находятся в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение металлы приобретают в процессе затвердевания, т. е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Если же кристаллическое строение вещества изменяется в твердом состоянии, то такой процесс называется вторичной кристаллизацией.

Процесс первичной кристаллизации оказывает огромное влияние на свойства металла, на его структуру. Впервые этот процесс исследовал русский ученый Д. К. Чернов.

Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменение температуры с течением времени по мере охлаждения расплавленного металла. Чтобы построить их, необходимо иметь прибор для измерения температуры и счетчик времени.

Кривые охлаждения жидких металлов изображены на рис. 3 (кривые 1, 2, 3).

На кривой 1 показана кристаллизация металла без переохлаждения. Это теоретическая кривая. Из нее видно, что переход металлов из жидкого состояния в твердое происходит при определенной температуре Ткр, называемой критической точкой, или температурой кристаллизации. Выше этой температуры металл находится в жидком состоянии, ниже — в твердом. Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поэтому, несмотря на охлаждение, температура металла остается неизменной до окончания процесса кристаллизации (горизонтальный участок на кривой охлаждения). После окончания процесса кристаллизации металл в твердом состоянии равномерно охлаждается — кривая плавно идет вниз.

Практически при быстром охлаждении процесс кристаллизации металлов протекает несколько иначе. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно охладить до температуры, более низкой, чем температура кристаллизации, т. е. металл нужно переохладить.

Температура Тп, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации. Разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Степень переохлаждения п может быть незначительной (кривая 2) и большой (кривая 3). В последнем случае скрытая теплота кристаллизации выделяется из-за большого переохлаждения настолько бурно, что температура повышается скачкообразно (петля на кривой) и приближается к теоретической.

Так кристаллизуется, например, сурьма. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации незначительна.

На рис. 4 показан механизм образования кристаллов при переходе металла из жидкого состояния в твердое.

При охлаждении жидкого металла до температуры Тп атомы в отдельных местах начинают группироваться так же, как в кристаллических решетках твердого вещества. Образуются отдельные центры кристаллизации, вокруг которых начинают расти кристаллы. Вначале кристаллы растут свободно, так как со всех сторон их окружает жидкий металл. В дальнейшем кристаллы начинают присоединяться друг к другу и расти только в направлении, где еще имеется жидкий металл. Это приводит к тому, что кристаллы, несмотря на их правильное внутреннее строение, получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами, или кристаллитами.

От величины образовавшихся зерен, их формы и расположения зависят свойства металлов. Металлы и сплавы с мелкозернистым строением в отличие от металлов и сплавов с крупнозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.

Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, олово и др.) в твердом состоянии могут изменять свое кристаллическое строение.

Сущность вторичной кристаллизации состоит в том, что в твердом металле при определенных температурах происходит перегруппировка атомов (перекристаллизация), образуются новые центры кристаллизации, в процессе роста которых возникает новая кристаллическая решетка. Это приводит к изменению свойств металлов.

Особенно большое влияние на величину зерна оказывают посторонние примеси в металлах, играющие роль дополнительных центров кристаллизации.

Широко применяется процесс искусственного изменения размеров и формы зерен путем введения в расплавленный металл нерастворимых веществ — модификаторов.

Они создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему металл или сплав получает мелкозернистое строение. Так, например, для стали в качестве модификатора применяют порошок оксида алюминия.

При кристаллизации металлов могут получиться кристаллы не только разных размеров, но и разной формы. Чаще всего образуется дендритная структура. Дендрит — древовидный кристалл (рис. 5). Образование дендритов объясняется неодинаковым отводом теплоты в разных направлениях и неодинаковым ростом кристаллов.