ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ

Первичная кристаллизация. Охлаждаясь, жидкий металл переходит в твердое состояние. Такой процесс называется первичной кристалли­зацией. Как впервые установил великий русский ученый Д.К.Чернов (1839-1921 гг.), процесс кристаллизации складывается из двух однов­ременно протекающих стадий: образования центров кристаллизации (за­родышей) и роста кристаллов вокруг этих центров. Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную форму, но постепенно увеличиваясь, кристаллы начинают соприкасаться друг с другом, и правильная форма нарушается . Образовавшиеся та­ким образом кристаллы, напоминающие по форме зерна, называются кристаллитами, или зернами. Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем мельче получаются зерна. Размер зерна металла сказывается на механических свойствах металла: чем мельче зерна, тем выше прочность и особенно вязкость металла.

Зернистая структура металла образуется при весьма медленном охлаждении преимущественно чистых металлов. В производственных ус­ловиях в процессе кристаллизации сплавов обычно образуются древо­видные кристаллы-дендриты ("дендрон" по-гречески дерево). Первона­чально образуются длинные ветви - оси первого порядка, затем одновременно с удлинением этих осей перпендикулярно к ним растут оси второго порядка, на осях второго порядка зарождают­ся оси третьего порядка и т.д. В последнюю очередь затвердева­ет металл в междендритном пространстве.

Жидкий металл может раст­ворить больше примесей, чем твердый. Поэтому в процессе дендритной кристаллизации примеси металла постепенно вытесняются в жидкую междендритную часть кристалла, затвердевающую в последнюю очередь, а ветви дендритов содержат значительно меньше примесей. Такая неоднородность химичес­кого состава в границах отдельно взятого кристалла (дендрита) назы­вается внутрикристаллической, или дендритной ликвацией.

Строение металлического слитка. Выплавленный жидкий металл, затвердевая в специальной форме (изложнице), образует слиток. Зат­вердевание металла начинается у мест, от которых отводится тепло - у стенок, дна и с поверхности, а затем переходит на внутренние зоны слитка. В разных зонах объема металла скорость охлаждения неодина­кова. Еще Д.К.Чернов в 1878 г. указал на наличие в слитке трех зон : зоны мелких зерен 1, образовавшихся у поверхности слитка в результате очень быстрого охлаждения; зоны крупных столбчатых кристаллов 2, вытянутых в направлении отвода тепла, т.е. перпенди­кулярно к стенке изложницы; зоны различно ориентированных кристал­лов 3, образовавшихся тогда, когда изложница нагрелась и направлен­ный отвод тепла отсутствует. Столбчатые кристаллы (дендриты) неже­лательны, так как они не обеспечивают высокой прочности, в том чис­ле и потому, что в местах их соединения концентрируются пустоты и неметаллические включения.

В местах слитка, затверде­вающих в последнюю очередь, концентрируется повышенное со­держание примесей, а в слитке стали - повышенное содержание серы. Неоднородность химическо­го состава по зонам слитка на­зывается зональной ликвацией.

При переходе из жидкого состояния в твердое происходит сокращение объема металла, на­зываемое усадкой. В результате усадки в слитке образуется во­ронкообразная пустота - усадоч­ная раковина, при которой нахо­дится зона усадочной рыхлости, т.е. место концентрации мелких усадочных раковин. Усадочная рыхлость связана с образованием между растущими кристаллами замкнутых объемов жидкого металла, кристаллизация которых приводит к образованию местных мелких уса­дочных раковин. Зона усадочной рыхлости совпадает с зоной концент­рированной ликвации примесей. Верхнюю часть слитка, в которой рас­положены усадочная раковина, зоны концентрированной рыхлости и лик­вации примесей, как дефектную отделяют от качественной части слит­ка. Дефектная часть составляет 15-25% массы слитка.

Вторичная кристаллизация металлов. Имеются металлы, например, железо, титан, кобальт, олово и др., которые при различных темпера­турах обладают способностью изменять один тип кристаллической ре­шетки на другой. Способность металла находиться в различных крис­таллических формах называется аллотропией. Аллотропические формы металлов обозначаются начальными буквами греческого алфавита a, b, g, d.

Аллотропические превращения в металлах имеют кристаллизацион­ный характер с образованием зародышей и последующим их ростом до полной перекристаллизации. Изменения типа решетки и формы кристал­лов при аллотропическом превращении, происходящие в твердом метал­ле, называются вторичной кристаллизацией.

Аллотропические превращения при нагреве сопровождаются погло­щением, а при охлаждении - выделением тепла. Переход аллотропичес­кой формы из одной в другую сопровождается изменением объема и не­которых физических свойств, например олово имеет две аллотропичес­кие формы Sn_a и Snb. При охлаждении примерно до минус 30⁰ С белое блестящее олово Sn_b начинает сравнительно быстро переходить в по­рошкообразное серое олово Sn_a, при этом происходит увеличение объ­ема на 25%.

Вторичной кристаллизацией называют также процесс образования и роста новых зерен внутри уже затвердевшего сплава, связанный с уменьшением растворимости компонентов сплава.

Рис. 1.6. Зависимость скорости роста кристаллов (с.к.) и скорости зарождения центров кристаллизации (ч.ц.) от степени переохлаждения

Рис.1.7. Схема дендрита: 1 – ось первого порядка, 2 – ось второго порядка,
3 – ось третьего порядка.

Дата добавления: 2014-10-08; просмотров: 846; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!