- •Г. В. Бычков, а. А. Ражковский,
- •Оглавление
- •Введение
- •1. Металлы
- •1.1. Кристаллизация металлов
- •1.2. Строение кристаллов металла
- •1.3. Исследование структуры металла
- •2. Свойства металлов и сплавов
- •2.1. Основные свойства металлов
- •2.2. Механические свойства металлов
- •3. Металлические сплавы
- •3.1. Основы теории сплавов
- •3.2. Диаграмма железоуглеродистых сплавов
- •3.3. Критические точки сталей (точки Чернова)
- •4. Классификация и маркировка
- •4.1. Углеродистые конструкционные стали
- •4.2. Серые чугуны
- •5.1. Общие сведения
- •5.2. Операции термической обработки
- •Материаловедение Конспект лекций Часть 1
- •644046, Г. Омск, пр. Маркса, 35
1.1. Кристаллизация металлов
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. В 1878 г. великий русский ученый Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, установил, что процесс кристаллизации следует разделять на две стадии: зарождение первичных зародышей кристаллов (центров кристаллизации) и рост кристаллов из этих центров (рис. 1).
Рис. 1. Схема процесса кристаллизации
(□ – центры кристаллизации)
Схема роста кристаллов показана на рис. 2. Кристалл растет в направлении, противоположном отводу тепла. Сначала образуется главная ось кристалла 1, затем на главной оси образуются оси первого порядка 2, на них – оси второго порядка 3, на них – оси следующего порядка и т. д., пока в этом объеме есть жидкий металл.
Атомы жидкости пристраиваются к атомам кристаллов, создавая их форму и обеспечивая их рост. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму до момента их соприкосновения. В месте соприкосновения кристаллов рост их отдельных осей и граней прекращается. В результате к окончанию процесса кристаллизации кристаллы не имеют правильной геометрической формы, но сохраняют свое древовидное строение. Кристаллы древовидной формы называются дендритами (см. рис. 2).
Дендритное строение – признак литого состояния металла (слиток, отливка). При значительной пластической деформации литого металла форма и размеры кристаллов изменяются – дендриты дробятся, из них образуются новые кристаллы неопределенной формы, называемые зернами (рис. 3). Зернистое строение – признак деформированного металла (прокат, поковки, штампованные полуфабрикаты).
Рис. 2. Дендритная кристаллизация: а – схема дендритного строения
по Чернову; б – схема кристаллизации слитка; дендриты: Чернова (в),
на поверхности сурьмы (г) и алюминия (д)
а б
Рис. 3. Микроструктура доэвтектоидной стали:
а – крупнозернистая; б – мелкозернистая
Размер кристаллов металла во многом определяет его прочностные свойства: чем мельче кристаллы, тем выше сопротивление металла ударным и циклическим нагрузкам. Итак, в процессе кристаллизации два фактора определяют строение металла: число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов из этих центров.
Проследим за изменением температуры металла при охлаждении жидкости через равные промежутки времени (рис. 4). Сначала температура жидкого металла понижается равномерно в зависимости от скорости охлажденияV1, V2, V3. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок (площадка). В это время отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации и металл переходит в твердое состояние (образуются и растут кристаллы). После окончания кристаллизации температура вновь равномерно понижается, металл охлаждается в твердом состоянии.
При теоретической температуре кристаллизации (температуре плавления) жидкий металл и твердые кристаллы могут существовать одновременно и бесконечно долго. Следовательно, кристаллизация может происходить только при определенном переохлаждении металла ниже теоретической (равновесной) температуры. Разность между теоретическим и фактическим значениями температуры кристаллизации металла называется степенью переохлаждения:
Т = Тпл – Тк, (1)
где Тпл – теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (плавления) металла;
Тк – фактическая температура кристаллизации данного металла.
Степень переохлаждения металла зависит от скорости охлаждения V1, V2, V3 (см. рис. 4).
Скорости охлаждения V1 соответствует малая степень переохлаждения Т1. Охлаждение расплава со скоростью V2 вызывает увеличение степени переохлаждения Т2, а большая скорость охлаждения V3 приведет к увеличению степени переохлаждения Т3, и кристаллизация будет происходить при более низкой температуре. В итоге это скажется на факторах процесса кристаллизации:
Vохл ТЧЦК – СРК, (2)
где ЧЦК – число центров кристаллизации;
СРК – скорость роста кристаллов из этих центров.
Однако не всегда имеется возможность регулировать скорость охлаждения жидкого металла. Методом получения мелких кристаллов при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования количества и размеров кристаллов называется модифицированием.