Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Кристаллизация, строение и структура металлов

30.01.2019


Главнейшей особенностью строения металлов является упорядоченность расположения атомов, характерная для всех кристаллических тел. М.В. Ломоносов впервые указал, что строение металлов (медь и золото) сходно со строением кристаллов солей. Он писал, что металл это «светлое тело, которое ковать можно». Данное Ломоносовым определение в настоящее время дополняется указанием на высокую теплопроводность металлов, особенно чистых.

Кристаллическое строение является причиной того, что металлы обладают рядом свойств, которых не имеют аморфные тела.

В телах, имеющих равномерное расположение атомов, можно всегда мысленно выделить наименьший комплекс атомов, размещение которых в пространстве одинаково и многократно повторяется и характеризует расположение атомов данного металла. Такой комплекс атомов называется элементарной кристаллической решеткой. Большая часть металлов имеет решетки: кубические объемноцентрированные (рис. 28, а), кубические гранецентрированные (рис. 28, б) и гексагональные (рис. 28, в). Наиболее плотными, содержащими наибольшее количество атомов на один и тот же объем, являются металлы с гранецентрированной кубической и с гексагональной решеткой.

Междуатомные расстояния (периоды решетки) весьма малы и не превышают нескольких ангстремов, поэтому расположение атомов в металле (тип решетки) можно установить только с помощью рентгеноструктурного анализа.

Большинство атомов каждой элементарной решетки одновременно принадлежит нескольким соседним элементарным решеткам. В частности, элементарной объемноцентрированной решетке принадлежит целиком только центральный атом, остальные же атомы каждого узла, расположенные в вершинах куба, принадлежат одновременно восьми элементарным решеткам. Таким образом, на все восемь узлов решетки приходится один полный атом, т. е. на одну элементарную решетку объемноцентрированного куба приходится только два полных атома, хотя она построена из девяти атомов. Соответственно на элементарную решетку гранецентрированного куба приходится четыре атома, поскольку на восемь узлов решетки приходится один атом, и на шесть граней три атома.

Большое значение имеет также координационное число, характеризующее число атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от данного атома. Для решетки объемноцентрированного куба оно равно 8, а для решетки гранецентрированного куба 12.

В жидких металлах и сплавах, нагретых значительно выше температуры плавления, атомы расположены неупорядоченно. По мере приближения к температуре затвердения атомы начинают получать более ориентированное положение, приближающееся к правильному расположению их в твердом металле. Затвердение металла характеризуется образованием кристаллов. Концом затвердения считается исчезновение жидкой фазы.

Из законов термодинамики известно, что все самопроизвольные процессы протекают с уменьшением свободной энергии. Этому же закону подчиняется и кристаллизация металлов. При определенной для каждого сплава температуре затвердения (плавления) Ts система может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии. При температурах выше Ts системе энергетически выгодно находиться в жидком состоянии, а при температуре ниже Ts — в твердом.

Движущей силой, заставляющей тела переходить из одного агрегатного состояния в другое, является разность свободных энергий. Однако при температуре Ts эта разность равна нулю, поэтому для начала кристаллизации необходимо некоторое переохлаждение AТ.

Степень переохлаждения (AT) характеризуется разностью температур между теоретической Ts и фактической температурой затвердевания Тф.

В процессе затвердевания происходит скрытое выделение тепла, компенсирующее отводимое тепло, вследствие чего на кривых охлаждения кристаллических веществ в отличие от аморфных тел есть горизонтальный участок (рис. 29).

Кристаллизация начинается с образования большого количества зародышей, которые становятся устойчивыми и приобретают способность к росту только при достижении критического размера.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения, тем больше разность свободных энергий и тем меньше критический размер зародышей.

Обычно зародыши растут в длину с большей скоростью, чем в ширину, образуя так называемые оси кристаллизации. От первых осей в перпендикулярных направлениях происходит рост новых осей. От этих новых осей, также в перпендикулярных направлениях, в свою очередь растут новые оси и т. д. Образовавшиеся ветви разветвляются и утолщаются, что приводит к их срастанию и образованию сплошного кристалла.

Такая кристаллизация называется дендритной, кристалл, заполненный не полностью, дендритом (рис. 30).

В процессе кристаллизации, пока жидкость окружает образовавшийся и еще растущий кристалл, последний имеет относительно правильную огранку. Однако и в этом случае кристаллы могут иметь вытянутую форму. Это наблюдается в том случае, когда в охлаждающейся жидкости отвод тепла совершается перпендикулярно стенкам формы; в этом же направлении более интенсивно растет образовавшийся кристалл.

По мере роста кристаллы начинают между собой соприкасаться, что мешает образованию правильной формы, поэтому после полного затвердевания их внешняя огранка приобретает случайный и неопределенный характер. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами, а сами металлические тела, состоящие из большого количества этих зерен, называют поликристаллическими.

Размеры зерен зависят от скорости образования зародышей (с. о. з.) и скорости роста зародышей (с. р. з.).

Как скорость образования зародышей, так и скорость их роста зависят от степени переохлаждения. Чем больше степень переохлаждения, тем больше образуется зародышей и тем меньше их рост и, следовательно, тем более мелкое зерно получает металл.

Ввиду специфического расположения атомов в кристалле, свойства каждого зерна или монокристалла (в отличие от аморфных тел) в различных кристаллографических направлениях неодинаковы, т. е. кристалл анизотропен.

Поскольку металлы и сплавы поликристалличны, ориентация зерен друг к другу случайна, анизотропия в значительной степени устраняется, т. е. металлы приобретают ложную изотропию (квазиизотропию).

Строение реальных сплавов может несколько отличаться от описанного выше. В металлах могут присутствовать примеси, влияющие на процесс кристаллизации и искажающие решетку. В некоторых узлах кристаллической решетки могут отсутствовать атомы; такие узлы, незаполненные атомами, называются вакансиями.

Весьма отличными от идеального строения являются границы зерна, где больше всего дефектов. Кроме того, при кристаллизации к границам оттесняются примеси, имеющие более низкую температуру плавления, чем основной металл.

Многие факторы, вызывающие дефекты, являются причиной мозаичности структуры, т. е. каждое зерно в отдельности состоит из отдельных блоков, повернутых относительно друг друга на небольшой угол, в то время как сами зерна друг к другу повернуты в любом направлении.

По способности каждого такого блока в кристалле рассеивать рентгеновы лучи когерентно в одной фазе эти блоки иногда еще называют о б л а с т я м и когерентного рассеяния.

Блочность кристаллов оказывает большое влияние на свойства металлов, в частности измельчение блоков, как правило, сопровождается повышением твердости и прочности и наоборот.

Большое влияние на свойства металлов оказывают и другие несовершенства кристаллической решетки. Уже упоминались точечные несовершенства такие, как внедрённые атомы и вакансии.

Весьма важными линейными несовершенствами являются дислокации — нарушения периодичности кристаллической решетки в виде лишних (или отсутствующих) атомных рядов и плоскостей. Линии дислокаций ограничивают области в кристалле, где скольжение уже произошло, от областей, где скольжение еще не происходило. Таким образом, процессы пластического деформирования тесно связаны с движением дислокаций в плоскости скольжения кристаллов.

Если получить кристалл, у которого отсутствовали бы дислокации, то пластическая деформация в таком кристалле была бы затруднена, т. е. он имел бы повышенную прочность. Такие кристаллы металлов в последнее время получены. Это так называемые «усы» диаметром в несколько микрон и длиной в несколько миллиметров. Их прочность действительно близка к теоретической и составляет для железа более 1000 кг/мм2.

В реальных металлах имеется значительное число несовершенств. При плотности дислокаций 10в5—10в7 1/см2 прочность наименьшая — отожженное состояние. Линии дислокаций образуют сетку, находящуюся преимущественно по границам блоков. Увеличение плотности дислокаций соответствует увеличению протяженности этих границ, т. е. измельчению блоков. При этом движение дислокаций будет затруднено в связи с пересечением их друг с другом. Прочность металлов будет возрастать. Такое увеличение плотности дислокаций, приводящее к упрочнению материала, можно получить путем механического наклепа и термической обработки. При сочетании термической и механической обработки удается довести плотность дислокаций до 10в11—10в12 1/см2, при этом прочность стали достигает 400—500 кг/мм2.

Некоторые металлы (Fe, Sn) в твердом состоянии имеют в разных интервалах температур различные кристаллические решетки. Существование одного металла в нескольких кристаллических решетках называется полиморфизмом или аллотропией. Когда затвердевший сплав, имеющий определенное кристаллическое строение, достигает температур перехода в новое кристаллическое строение, происходит также образование зародышей и их рост подобно тому, как это происходит при переходе из жидкого в твердое состояние. Перестройка одного типа решетки в другой происходит также с тепловым эффектом и при постоянной температуре.

Многие свойства металлов, в том числе и механические, в значительной степени зависят от величины зерен. Сплавы с мелким зерном имеют большую пластичность и прочность. Как уже было указано раньше, мелкозернистое строение может быть получено при образовании большого количества центров кристаллизации (зародышей) и достигается быстрым охлаждением. Однако поскольку середина застывает значительно медленнее, чем поверхностные слои, в практических условиях бывает затруднительным быстро охлаждать застывший металл, особенно, если его отливают в большие формы.

В настоящее время разработаны условия, позволяющие регулировать величину и получать одинаковые и мелкие зерна во всей массе отливки. Этот способ называется модифицированием. Существо модифицирования заключается в том, что наряду с центрами кристаллизации, которые создаются самим металлом, в нем создаются дополнительные центры кристаллизации или поверхностей пленки, мешающие росту кристаллов.

Модифицирование осуществляется путем присадки в жидкий металл специальных веществ, получивших название модификаторов. В частности, при модифицировании цветных металлов пользуются специальными солями натрия, а при модифицировании стали пользуются раскислителями, продукты раскисления которых могут служить центрами кристаллизации. В последнем случае учитывается принцип структурного соответствия, согласно которому зародышем может быть вещество, структурно подобное кристаллизующейся фазе.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: