Будова атомів металів
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
ироди і чистоти металу. Чим чистіший метал, тим при більшому ступені переохолодження виникають зародки твердих кристалів.
Процес кристалізації складається з двох стадій:
утворення центрів кристалізації (зародків кристалів);
розростання кристалів навколо цих центрів.
Схематично процес кристалізації показаний на рис. 1.12. При переохолодженні металу нижче температури Тпл у багатьох ділянках рідкого металу утворюються стійкі, здатні збільшуватися кристалічні зародки, які називають критичними зародками. Поки їх оточує рідина, кристали ростуть вільно і можуть мати правильну геометричну форму. Однак при зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується, оскільки на ділянках контакту зростання граней припиняється. Кристал росте лише в тому напрямку, де він стикається з рідиною. Наслідком є те, що зростаючі кристали, які мають спочатку геометрично правильну форму, після тверднення набувають неправильної зовнішньої форми. Їх називають зернами, або кристалітами (рис. 1.13).
Рис. 1.12 Схема процесу кристалізації металу
Рис. 1.13. Мікроструктура заліза: а - зерна заліза; б - зерно заліза
Швидкість процесу кристалізації визначається двома величинами: швидкістю зародження центрів кристалізації і швидкістю росту кристалів.
Під швидкістю зародження центрів кристалізації розуміють кількість зародків, які виникають за одиницю часу в одиниці обєму. Під швидкістю росту кристалів розуміють швидкість збільшення лінійних розмірів кристала за одиницю часу.
Кількість центрів кристалізації і швидкість росту кристалів залежать від ступеня переохолодження. Як видно з рис. 1.14, кількість зародків і швидкість їх зародження при рівноважній температурі кристалізації дорівнює нулю. При збільшенні ступеня переохолодження вони зростають і досягають максимуму. При великих ступенях переохолодження кількість центрів кристалізації і швидкість росту дорівнюють нулю, оскільки при низьких температурах дифузійна рухомість атомів є зменшеною, а тим самим є зменшеною і здатність системи до перетворення.
Рис. 1.14 Швидкість росту кристалів (ш.р.) і швидкість зародження центрів кристалізації (ч.ц.) залежно від ступеня переохолодження
Величина зерна. Чим більше центрів кристалізації і менше швидкість їх росту, тим дрібніші зерна металу.
При невеликій швидкості переохолодження кількість зародків є малою, а швидкість великою. За цих умов отримаємо крупне зерно. Зі збільшенням ступеня переохолодження кількість зародків зростає більшою мірою, ніж швидкість їх росту, і розмір зерна у металі зменшується.
Величина зерна металу значною мірою впливає на механічні властивості. Чим дрібніше зерно металу, тим вище його міцність, вязкість і пластичність. На розмір зерна впливають температура нагрівання і розливання рідкого металу, його хімічний склад і наявність у ньому домішок.
Модифікування рідкого металу. Для отримання дрібного зерна в рідкий метал вводять спеціальні домішки (модифікатори), які, не змінюючи хімічного складу металу, поліпшують механічні властивості сплаву. Так, для сталі модифікаторами є Аl, V, Ті; для алюмінію - Ті, V, Zr; для чавуну - Мg. Нерідко роль модифікаторів відіграють хімічні елементи, які утворюють тугоплавкі сполуки, що кристалізуються в першу чергу. Ці сполуки (карбіди, нітриди, оксиди) виділяються у вигляді найдрібніших частинок і є зародками кристалів, що виникають під час твердіння. Наприклад, під час модифікування алюмінієвих сплавів як модифікатори використовують Ті, V, Zr, для сталі - Аl, V, Ті, для чавуну - Мg, феросиліцій, силікокальцій, Аl.
Будова металевого зливка. У процесі затвердіння кристали металу можуть мати різну форму залежно від швидкості охолодження, характеру й кількості домішок. Найчастіше утворюються дендрити (від грецьк. дендрон дерево). Спочатку виникають осі першого порядку (довгі гілки), потім перпендикулярно до них осі другого порядку, далі перпендикулярно до осей другого порядку утворюються осі третього порядку тощо. У кінцевому підсумку кристали набувають форми дендритів (рис. 1.15).
Рис. 1.15. Схема дендритів
Будову зливка складають три основні зони (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Схема будови сталевого зливка за Д. К. Черновим: 1 - усадкова раковина; 2 - зона дрібних рівновісних кристалів; 3 - зона стовбчастих кристалів; 4 - зона крупних рівновісних кристалів
Зона 1 - зовнішня дрібнозерниста кірка, що складається з дрібних дезорієнтованих кристалів - дендритів. При першому зіткненні зі стінками виливниці (металевої форми) виникає значний перепад температур, що спричиняє переохолодження з утворенням великої кількості центрів кристалізації. У результаті кірка набуває дрібнозернистої будови.
Зона 2 - зона стовбчастих кристалів. Тут перепад температур різко зменшується і, відповідно, знижується ступінь переохолодження сплаву.
Зона 3 - зона рівноважних кристалів. У центрі зливка вже немає певного напрямку віддачі теплоти. Тому кристали ростуть рівномірно у всіх напрямках. Зародками кристалів тут виступають дуже дрібні включення.
Під час охолодження обєм металу зменшується (дає усадження), тому у верхній частині зливка утворюються порожнини: усадочна раковина і усадочна пухкість.
Залежно від складу сталі, розмірів зливка й умов охолодження ці зони можуть змінюватися і навіть зникати, але загальний характер будови зливка під час кристалізації залишається.
Наприклад, у невеликих з