Кристаллизация металлов. Построение кривых охлаждения

. Процесс образования кристаллов при затвердевании металла называется кристаллизацией. При кристаллизации металла выделяется теплота, при переходе же металла из твердого состояния в жидкое происходит поглощение теплоты.

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.

Последовательные этапы процесса кристаллизации показаны на рисунке 1.5. Первый этап — появление зародышей кристаллов. 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 (элементарная ячейка изображена в виде прямо­угольников). Этот процесс продолжается до тех пор, пока не закон­чится кристаллизация.

Кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и разнообразную внешнюю форму, что объясняется условиями крис­таллизации. В процессе кристаллизации увеличивается количе­ство кристаллов (в 1 мм³ может образоваться свыше 1000 кристал­лов). При соприкосновении грани смежных кристаллов мешают друг другу принять геометрически правильную внешнюю форму.

Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называ­ются кристаллитами, или зернами. Размер зерен зависит от ус­ловий кристаллизации, и прежде всего, от скорости охлаждения металла.

а — появление зародышей кристаллов; б — рост кристаллов и образование новых центров; в — рост кристаллов; г — границы кристаллов (зерен) затвердевшего металла

Рисунок 1.5 - Последовательные этапы процесса кристаллизации

Рисунок 1.6 - Схема ден­дритного строения по Д. К. Чернову

Чем больше скорость охлаждения металла, тем быстрее он затвердевает, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, тем меньшего размера по­лучаются зерна. В тонких быстро охлаждающихся се­чениях литых деталей металл имеет более мел­кое зерно, чем в толстых массивных охлаждение медленнее. Однако скорость охлаждения не всегда можно регу­лировать. Мелкое зерно при затвердевании металла образуется в случае создания искус­ственных центров кристаллизации. Для это­го в расплавленный металл вводят специаль­ные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусс­твенного регулирования размеров зерен называется моди­фицированем.

Форма растущих кристаллов зависит не только от условий их столкновения между собой, но также от состава сплава, наличия примесей и условий охлаждения.

Механизм образования крис­таллов в большинстве случаев носит так называемый дендритный характер. При дендритной кристаллизации рост зародышей кри­сталлов происходит с неравномерной скоростью. После образова­ния зародышей их развитие идет в тех направ­лениях решетки, которые имеют наибольшую плотность располо­жения атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих на­правлениях возникают длинные ветви будущего кристалла — оси первого порядка. От осей первого порядка под опреде­ленными углами растут новые оси — оси второго порядка 1, от осей второго порядка — оси третьего порядка 2. По мере кри­сталлизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют нее проме­жутки, ранее занятые жидким металлом.

Для определения критических температур кристаллиза­ции и других параметров металлов строят кривые охлаждения.

Рисунок 1.8 - Кривые охлаждения

Для медленно охлаждающегося чистого металла кривая ох­лаждения будет иметь вид. Кривая ох­лаждения свидетельствует о том, что жидкий металл охлаждается равномерно до точки А. В точке А понижение температуры пре­кращается. Между точками А и Б находится участок критической температуры, при которой начинается и закан­чивается кристаллизация металла. Далее температура вновь по­нижается равномерно. Кривая охлаждения сплава (она станет понятна после изучения аллотропи­ческих превращений).

Охлаждение аморфного тела протекает плавно, так как оно постепенно отвердевает вследствие умень­шения подвижности частиц. Кажущееся твердым аморфное те­ло по структуре представляет собой переохлажденную жидкость.