12.3. Механизм кристаллизации металлов. Форма и строение слитков. Основы теории сплавов. Виды сплавов.

1. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. При достижении расплава равновесной температуры величины свободных энергий жидкого и твердого состояний равны, при которой обе фазы могут сосуществовать одновременно и притом бесконечно долго. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается.

Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры.

На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод тепла при охлаждении.

.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. При переохлаждении сплава образуются способные к росту, кристаллические зародыши, называемые критическими.

Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. Однако при столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается. Он продолжается только в тех направлениях, в которых есть свободный доступ для «питающей» жидкости. Такие кристаллы называются кристаллитами.

Минимальный размер зародыша, способный к росту при данных температурных условиях, называется критическим размером зародыша или равновесным зародышем.

Следовательно, с понижением температуры кристаллизации размер критического зародыша уменьшается, т.к. к росту способны зародыши все меньшего размера, сильно возрастает число зародышей кристаллизации.

Величина зерна. Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость их роста, тем меньше размер кристалла, выросшего из одного зародыша (зерно), и следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства, особенно на вязкость, которая значительно выше у металлов с мелким зерном. Величина зерна зависит от степени переохлаждения. На размер зерна влияет температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав и особенно присутствие в нем посторонних примесей.

2. В процессе кристаллизации образуются разветвленные, или древовидные, кристаллы, получившие название дендритов. При образовании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви - оси первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка. В свою очередь на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего порядка и т. д. В итоге образуются кристаллы в форме дендритов.

В слитке металла можно различить три зоны с различной структурой. Вследствие большой скорости охлаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны 1 сравнительно мелких равноосных кристаллитов.

За зоной 1 в глубь слитка расположена зона 2 удлиненных дендритных кристаллитов. Рост этих кристаллитов происходит в направлении отвода тепла.

В случае сильного перегрева металла, быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона 2 может полностью заполнить весь объем слитка. При низкой температуре литья, очень медленном охлаждении создаются условия для возникновения зародышей кристаллов в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутренней части отливки структурной зоны 3, состоящей из равноосных, различно ориентированных дендритных кристаллитов.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый; поэтому в той части слитка, которая застывает в последнюю очередь, образуется пустота - усадочная раковина.

Сплавом наз. в-во полученное сплавлением двух или более компонентов. Компонентами наз. в-ва образующие систему (компоненты и хим. соед.). Система – это группа тел выделенных для наблюдения и изучения.

Фазой наз. однородная часть системы отделенная от другой части системы поверхностью раздела.

В сплавах в зависимости от взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, хим. соед.

Твердыми р-ми называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры.

Различают твердые р-ры замещения и внедрения. Р-р замещения - атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решетки. Р-р внедрения - атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет собой кристаллические зерна. Все металлы могут в той или иной степени растворяться один в другом в твердом состоянии.

Упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

Характерные особенности хим. соединений следующие:

1. Атомы в решетке хим. соед. располагаются упорядоченно.

2. В соед. сохраняется простое кратное массовое соотношение элементов.

3. Свойства соединения отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления постоянная.

5. Образование хим. соед. сопровождается значительным тепловым эффектом.

Соед. одних металлов с другими - интерметаллические соед.

Соед. металла с неметаллом (нитриды, карбиды) - металлические соед.