Объясните схему образования кристаллов при затвердевании металлов материаловедение

Особенности процесса кристаллизации. Схема процесса затвердевания металла.

Свойства металлов зависят от формы кристаллов, от числа частиц, составляющих отдельные кристаллы, от расстояния между частицами в кристаллах, от взаимного расположения кристаллов.

Большое влияние на свойства металлов оказывают также особенности процесса кристаллизации, т. е. явления, сопутствующие переходу металлов из жидкого состояния в твердое.

Температура, при которой металл переходит из жидкого состояния в твердое, называется критической температурой или критической точкой, либо температурой плавления.

Схема процесса затвердевания изображена на рис. 3. При определенной для каждого металла температуре в жидком металле появляются мельчайшие группы кристаллов, называемые центрами кристаллизации (рис. 3, а). По мере охлаждения происходит рост возникших групп и появляются новые центры (рис. 3, б, в, г и д). На этой стадии в жидком металле могут образоваться кристаллы правильной геометрической формы, так как формированию их не препятствуют соседние кристаллы.

Рис. 3. Схема затвердевания металла:

а — группы кристаллов (центра кристаллизации), б, в, г и д -рост возникших групп и появление новых центров, е -искажение формы

Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается, и их форма искажается вследствие взаимного давления (рис. 3, е). Таким образом, в изломе застывшего металла мы наблюдаем кристаллы уже неправильной формы, называемые зернами.

Процесс образования зерен имеет большое практическое значение, так как от расположения зерен, их формы и особенно от их величины зависят свойства металла. Это впервые обнаружил Д. К. Чернов. Он установил, что в местах разрыва артиллерийских орудий сталь имеет крупнозернистое строение и отличается меньшей прочностью по сравнению со сталью, состоящей из мелких зерен.

О величине зерен, или зернистости, по излому металлов можно судить только приблизительно. Правильное представление о зернах дает металлографическое исследование 1 шлифа металлов.

1 Исследование, производимое с помощью металлографического микроскопа или электронного микроскопа.

называется тщательно отполированная и протравленная особым составом поверхность металла (рис. 3, е). Темные извилистые линии, показанные на рисунке, представляют собой границы зерен. Величина зерен выражается их числом на 1 см 2 поверхности шлифа.

Источник

Материаловедение: конспект лекций.

2. Кристаллизация и структура металлов и сплавов.

Порядок расположения атомов – тип кристаллической решетки – природное свойство металла, форма кристаллов и их размеры зависят от процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс образования кристаллов при затвердевании металлов называется кристаллизацией. При кристаллизации металлов выделяется тепло, а при переходе металлов из твердого состояния в жидкое происходит поглощение тепла. Наблюдения с помощью измеряющих температуру проборов за процессом понижения температуры.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое позволили установить определенную закономерность. Сначала температура понижается равномерно. В начальный период образования кристаллов вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекращается, и она остается неизменной до полного затвердения металла. После того как весь металл затвердеет, температура снова начинает понижаться. Температура, соответствующая горизонтальной площадке, называется критической. Кристаллизация металлов подобна кристаллизации солей, и этот процесс состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно. Первый заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов, второй – в росте кристаллов из этих центров.

Первый этап – появление зародышей кристаллов металла. Второй этап – по мере остывания металла к зародышам присоединяются все новые и новые атомы жидкого металла, которые группируются в определенном порядке один возле другого, образуя элементарные ячейки кристаллической решетки. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не закончится кристаллизация. Причем кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и весьма разнообразную форму, что объясняется условиями кристаллизации.

В процессе кристаллизации увеличивается количество кристаллов – в 1 мм 3 может образоваться свыше 1000 кристаллов. Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называются кристаллитами, или зернами. Чистые металлы относительно редко применяются в машиностроении и других отраслях хозяйственного комплекса. Более широко используются сплавы, состоящие из двух и более элементов (из двух металлов, например меди и цинка, или из металла и неметалла, например железа и углерода). Элементы, входящие в сплав, называются компонентами. В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В твердом растворе замещения атомы растворимого компонента замещаются атомами растворителя, а в твердом растворе внедрения атомы растворителя размещаются между атомами растворимого компонента в наиболее слабых местах элементов кристаллической решетки.

Сплавы, представляющие собой твердые растворы, отличаются ценными свойствами. Они тверже и прочнее, чем входящие в него компоненты.

Компоненты некоторых сплавов при кристаллизации могут входить в химическую связь, образуя химическое соединение. Химические соединения обладают очень высокой твердостью и хорошим электросопротивлением.

Источник

Кристаллизация металлов

Кристаллизацией называется процесс перехода металлов из жидкого состояния в твердое, когда в металле формируется кристаллическая решетка.

1. Процесс затвердевания металлов. В 1878 г. русский ученый — метал­лург Д. К. Чернов установил, что затвердевание металлов начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первич­ные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним — оси высших порядков (рис. 2.1, а). Такие первичные кристаллы, напо­минающие внешним видом дерево, получили название дендритов (от греч. дендрон — дерево). Дальнейший рост дендритов и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла, заполняющего межосевое пространство. При росте кристаллы в определенный момент сталкива­ются, препятствуют росту друг друга в различных направлениях, в ре­зультате чего приобретают случайную внешнюю форму (рис. 2.1, б). Такие кристаллы называют зернами. Величина и количество зерен к кон­цу кристаллизации зависят от скорости зарождения (количества центров) и роста кристаллов, которые, в свою очередь, определяются скоростью охлаждения затвердевающего металла. С повышением скорости охлажде­ния число зародышей увеличивается в большей степени, чем скорость их роста, поэтому размер зерен в металле уменьшается.

2. Строение слитка. Рассмотренная схема кристаллизации позволяет объяснить структурную неоднородность металлического слитка. В общем случае в его структуре можно выделить три зоны (рис. 2.2).

Внешняя зона 1 слитка состоит из мелких неориентированных зерен, формирующихся в начальный момент затвердевания, когда металл, со­прикасаясь с холодными ‘стенками формы, охлаждается в тонком слое с весьма большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затверде­вания металла меняются, скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), поэтому зерна приобретают столбчатый вид 2.

Внутренняя зона слитка 3 — зона равноосных зерен — формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления, как это было показано на рис. 2.1, б.

В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, по­этому в слитке образуется усадочная раковина 4 (рис. 2.2)

Рис.2.2.- Строение слитка

Рис.2.1 – Процесс кристаллизации

Общие сведения о строении сплавов

Металлическими сплавами называют сложные вещества на основе металлов, сохраняющие высокую электро- и теплопроводность, ковкость и другие свойства. Сплавы могут состоять из нескольких металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов — к металлам.

В жидком состоянии большинство сплавов однородны и в физико-химическом понимании представляют одну фазу (Фазами называют однородные по составу и строению части сплава, отделенные от других частей границей раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.). После затвердевания в сплаве может образоваться несколько фаз. Количество фаз и их природа определяются характером взаимодействия компонентов сплава при за­твердевании. Если компоненты сплава растворяются друг в друге, то образуются так называемые твердые растворы. При этом атомы растворимого компо­нента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее. Такие сплавы являются однофазными и состоят из зерен твердого раствора с кристаллической решеткой компонента-растворителя. В случае ограниченной растворимости компонентов об­разуется двухфазный сплав, в котором второй фазой может быть чистый компонент или его химическое (металлическое) соединение с другим ком­понентом. Если при затвердевании компоненты сплава не взаимодействуют друг с другом, то образуется механическая смесь зерен каждого из компо­нентов. Механическая смесь сплава может состоять из двух и большего числа фаз. При этом каждая из фаз сохраняет свой тип кристаллической решетки. Ряд компонентов при затвердевании может вступать в химическое взаимодействие и образовывать химические соединения как металлов с неметаллами (например, карбид железа Fe₃C), так и металлов с метал­лами (например, СиА1₂); последние обычно называют металлическими соединениями. Таким образом, фазами в сплавах могут быть: чистые компоненты, твердые растворы или химические (металлические) соединения. Комбинации этих фаз образуют структурные составляющие сплавов, характе­ризующиеся однородным строением.

Свойства металлов

Различают механические, физические, химические, технологические, эксплуатационные свойства металлов.

1. Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца. Напряжения вызывают деформацию металлического образца — уп­ругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остаю­щуюся после снятия нагрузки. При чрезмерной пластической деформации происходит разрушение металла.

Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению. Определяется на специальных образцах путем их растяжения, сжатия, изгиба, кручения. Чаще прочность металла харак­теризуют пределом прочности при растяжении p_в, Па:

_где р_в —. максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед раз­рушением, Н; F_o — начальное сечение образца, м 2 .

Одновременно с прочностью при растяжении определяют и пластич­ность — способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относитель­ным удлинением б:

_Гд_е 1_к — длина образца после разрыва, мм; / — первоначальная длина образца, мм.

Прочность при ударных нагрузках определяют путем разрушения образцов ударом массивного маятника и характеризуют ударной вяз­костью а_н — отношением затраченной на излом образца работы А, Дж, к площади сечения образца F, м 2 , в месте излома:

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса.

.1.

Рис. 2.3 Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю (HB 200) -Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.2.3 а) В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия. По диаметру отпечатка, с помощью формул, определяют твёрдость.

Метод Роквелла HRC 60—64 Основан на вдавливании в поверхность наконечника(стальной шарик(HRB) или алмазный конус(HRC, HRA)) под определенной нагрузкой (рис. 2.3 б). Значение твердости определяется по глубине остаточного вдавливания наконечника

Метод Виккерса (HV 600)-Твердость определяется по величине диагоналей отпечатка с помощью формул (рис.2.3 в).В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 o .Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Преимущество — можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

2. Физические и химические свойства.Физические свойства характе­ризуют температуру плавления металлов, их плотность, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, магнитную проницаемость и т. п.

Химические свойства металлов определяются их химической актив­ностью, способностью к химическому воздействию с газовыми и жидкими агрессивными средами, расплавленными металлами, коррозионной стой­костью.

3. Технологические свойства характеризуют способность металлов образовывать отливки, свариваться, подвергаться обработке давлением, резанием и др.

Литейные свойстваметаллов определяются жидкотекучестью — спо­собностью заполнять литейную форму, усадкой — сокращением размеров и объема отливки при затвердевании, склонностью к ликвации — неод­нородности химического состава по сечению отливкь, вызванной услови­ями затвердевания.

Способность металлов обрабатываться давлением характеризуется ковкостью. Ковкость в значительной степени определяется пластичностью, зависит от температуры обработки и структуры металла.

Свариваемостьхарактеризуется способностью металлов образовывать качественные неразъемные соединения (швы).

Обрабатываемость резанием— способность металлов подвергаться обработке режущими инструментами с целью получения деталей опре­деленной формы, размеров и шероховатости поверхности.

4. Технологические свойства определяют по технологическим пробам,позволяющим получить качественную оценку пригодности металлов к различным видам обработки (например, глубокой штамповке — вытяж­ке и т.п.)

Источник

Материаловедение

Кристаллизация металлов

Любое вещество может находиться в одном из четы­рех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энер­гией взаимодействия атомов. Стабильным (равновесным) при определенных внешних условиях является состояние вещества, при котором оно обладает минимумом свободной энергии. Свободная энергия — часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия веще­ства — это сумма потенциаль­ной энергии (энергии взаи­модействия) и кинетической энергии частиц (тепловые колебания). Часть внутрен­ней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое,называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньшей энергией будет обладать вещество, тем более стабильно его состояние. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис. 1).

Рисунок 1 — Стремление системы к уменьшению свободной энергии

В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна 0. Вещество может находиться в метастабильном состоянии (закаленная сталь). Такое состояние не обладает минимумом свободной энергии, но является достаточно устойчивым (стабильным). Вещество в метастабильном состоянии может находиться бесконечно долго при условии постоянства внешних факторов.
Первичная кристаллизация металлов и сплавов. Кри­сталлизация — это переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллического строения. Это первичная кристаллизация (в отличие от вторичной, когда кристаллы металлических фаз выделяются из твердого вещества).
Рассмотрение кристаллизации для металлов и сплавов на их основе связано с тем, что эти материалы получают методом литья, тогда как многие неметаллические матери­алы производят другими способами. Ряд неметаллических материалов существует в природном виде (углерод), мно­гие химические соединения получают путем химических реакций: карбиды — карбидизацией, нитриды — азотирова­нием и т.п. Процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например темпе­ратуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состоя­ния (рис. 2). Выше темпе­ратуры Ts более стабильным
является жидкое состояние, так как металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры Ts меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При темпера­туре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это озна­чает, что металл может нахо­диться в обоих состояниях бесконечно долго, так как пере­ход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура Ts получила название теоретической температуры кристаллизации.

Рисунок 2 — Изменение свободной энергии (Ts) в зависимости от температуры (Т) жидкого (1) и твердого (2) состояния вещества

Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свобод­ная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится воз­можным при охлаждении жидкости ниже Ts. Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллиза­ции, называется фактической температурой кристаллиза­ции (Тк). Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждение, а разность между теоретической и фактической температу­рой кристаллизации — степенью переохлаждения (ΔТ):

Степень переохлаждения зависит от скорости охлажде­ния жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения. Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «тем­пература — время» (рис. 3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кри­вой охлаждения появля­ется горизонтальная пло­щадка (участок 2 кривой охлаждения), т.е. охлаж­дение (понижение темпе­ратуры) останавливается. Это вызвано тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой
теплотой кристаллиза­ции. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Увеличение скорости охлаждения от V1 до V3 приводит к увеличению степени
переохлаждения (см. рис. 3).

Рисунок 3 — Кривые охлаждения металла

Кристаллизация начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров (рис. 4). Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК),

Рисунок 4- Схема процесса кристаллизации

образующихся в единицу времени в единице объема (1 см 3 /с), и скоростью роста кристаллов (СК ) [мм /с]. Эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристалли­зации металла. В соответ­ствии с законом Таммана для каждой степени пере­охлаждения указанные пара­метры могут иметь только одно значение (рис. 5).
При теоретической темпе­ратуре кристаллизации ( Ts) значения ЧЦК и СК равны 0 и кристаллизация происходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ЧЦК и СК возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к Тs подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлажде­ния значения ЧЦК и СК достигают максимума, после чего снижаются вследствие уменьшения подвижности атомов при низких температурах.

Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ЧЦК и СК, т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения
металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые
растут с большой скоростью,—- АТ’ (см. рис. 5). В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения, напротив, ЧЦК велико, а СК мала (ДГ» — АТ”’), поэтому структура металла получается мелкозернистой.
Если степень переохлаждения настолько велика, что значения ЧЦК и СК близки к пулю, кристаллизации не происходит. При этом образуется твердое тело, имеющее не кристаллическое строение с «правильным» расположением атомов, а аморфное — с хаотическим расположением атомов — «твердая жидкость». Аморфное состояние
характерно для неметаллических материалов (стекла, полимеры). Для получения аморфного состояния у металлических материалов требуется очень большая скорость охлаждения 10 6 . 10 7 °С/с.

Источник