Сведения о кристаллизации металлов и сплавов

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при его переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, происходящие в процессе кристаллизации, имеют важное практическое значение, т.к. в значительной степени определяют свойства металлов. Впервые процессы кристаллизации были изучены русским ученым Д.К. Черновым во второй половине ХIХ века.

Процесс кристаллизации протекает следующим образом. В жидком металле атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы. Эта первичная группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация идет в две стадии: образуются центры кристаллизации и вокруг этих центров происходит рост кристаллов. Сначала рост кристаллов не встречает препятствий и растущие кристаллы сохраняют правильность строения кристаллической решетки. При дальнейшем движении кристаллы сталкиваются, и образовавшиеся группы имеют уже неправильную форму, но сохраняют правильность строения внутри каждого кристалла. Такие группы кристаллов называют зернами. Размеры зерен зависят от различных факторов: природы самого металла, числа центров кристаллизации, скорости охлаждения жидкого металла и др. Крупнозернистый металл имеет низкое сопротивление удару, при обработке его сложнее добиться требуемого класса шероховатости поверхности.

Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, то кривые охлаждения и нагревания строятся в координатах температура – время (рисунок 2).

1 – теоретическая кривая кристаллизации металла;

2 – кривая кристаллизации металла с переохлаждением.

Рисунок 2 – Кривые охлаждения при кристаллизации:

На кривой 1 показан идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения. Сначала температура понижается равномерно – кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания падение температуры прекращается – на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что группировка атомов идет с выделением тепла. По окончании кристаллизации температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл имеет строго индивидуальную температуру кристаллизации.

Практически кристаллизация обычно протекает с переохлаждением, т.е. металл при температуре затвердевания остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между теоретической и истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Чем больше скорость охлаждения жидкого металла, тем больше степень его переохлаждения и тем мельче зерно.

Исследование структуры металлов производится методами макро- и микроструктурного анализа, рентгеновского, спектрального, термического анализа, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).