При каких температурных условиях кристаллизуются чистые металлы

Обновлено: 01.12.2022

Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. После разрушения последних участков кристаллической решетки продолжающийся подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла.

При охлаждении происходит обратный процесс. Горизонтальный участок кривой охлаждения показывает, что происходит кристаллизация, сопровождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Кристаллизация металла происходит при некотором переохлаждении ΔТ, величина которого зависит от природы самого металла, от степени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения. Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 5.4.

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной (рис. 5.4, кривая V1).

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые V2, V3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения ΔТ может быть очень велика.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Вокруг образовавшихся центров начинают расти кристаллы (рис. 5.5, а). Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в пространстве произвольно (рис. 5.5, б, в). При уменьшении количества жидкости поверхности растущих кристаллов соприкасаются друг с другом, их правильная внешняя форма нарушается и получается произвольной (рис. 5.5, г).

Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или кристаллитами(рис. 5.5, г). Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух этапов:

1) образование центров кристаллизации (зародышей);

2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Установлена зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и скорости роста кристаллов (с. к.) от степени переохлаждения ΔТ(рис. 5.6).

Каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т.е. число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов, возрастая с увеличением степени переохлаждения, имеют максимум. Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации, т. е. от степени переохлаждения.

Рис. 4.5. Схемы процесса кристаллизации металла.

Рис. 4.6. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения: ч. ц. – число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени; с. к. – скорость роста кристаллов

При равновесной температуре Т0 число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов равны нулю, процесса кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке a, то образуются крупные зерна (рис. 4.6). При переохлаждении, соответствующей точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 4.6), то число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов становятся равными нулю, жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.

Кроме тепловых процессов на кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизующихся зерен оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц (из шихтовых материалов) или их специальное введение (модифицирование), а также действие ультразвука или механической вибрации.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров – несамопроизвольной.

Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых механических и физических свойств, которые удается получить в сплавах.

Металлический сплав образуется в результате взаимодействия двух или нескольких химических элементов. Он обладает металлическими свойствами, отличающимися от свойств исходных компонентов.

Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией, диффузией, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов.

Дадим определения некоторым металлографическим понятиям.

Компонентами сплаваназывают химические элементы, входящие в его состав.

Однородная часть сплава, имеющая одинаковые состав, строение, агрегатное состояние, при этом отделенная от остальных частей сплава поверхностью раздела, называется фазой.

Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся в состоянии стабильного или метастабильного равновесия.

Система может быть простой или сложной. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает в себя два или более компонентов. Например, система Рb−Sb является двойной, система Al–Cu–Mn –тройной и т. д. Система может быть однородной (однофазной), например вода (жидкость), и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например вода, лед (жидкость + твердое тело) или пар, вода, лед (жидкость + твердое тело + газ).

Фазовое состояние системы, составленной из двух компонентов, в зависимости от внешних условий может характеризоваться диаграммой состояния. Система называется равновесной, если в ней изменение фазового состояния при изменении внешних условий совершается обратимо, т. е. когда процессы при изменении состояния системы в одном направлении в точности возмещаются процессами, происходящими при изменении системы в обратном направлении.

Структурная составляющая– это однородная составляющая системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное регулярное строение, форму и одинаковый средний химический состав.

Выделение из кристаллов твердой фазы других твердых фаз по мере охлаждения сплава называется вторичной кристаллизацией.

В сплаве могут образовываться следующие кристаллические фазы: твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердые растворы– это кристаллы, образовавшиеся при распределении атомов одного компонента в кристаллической решетке другого. Один компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, другой (растворяемый) отдает свои атомы в решетку растворителя. Вокруг атома растворенного элемента возникают местные искажения пространственной решетки, это приводит к изменению ее периода и свойств.

Твердые растворы обозначают буквами греческого алфавита α, β, γ.

Различают твердые растворы замещения и внедрения (рис. 4.7). Образование твердых растворов замещения сопровождается заменой атомов растворителя в его кристаллической решетке на атомы растворенного компонента. Это происходит, если размеры атомов обоих компонентов различаются незначительно.

Рис. 4.7. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора: а – внедрения; б – замещения

Твердые растворы внедренияобразуются при размещении атомов растворенного компонента в порах кристаллической решетки растворителя между атомами основного металла. Размеры атомов растворенного компонента (азота, водорода, углерода) значительно меньше атомов растворителя.

Состав твердого раствора, т. е. количество атомов растворенного компонента и растворителя, может меняться. Максимальное число (предельная концентрация) атомов растворенного компонента, которое может находиться в решетке растворителя, определяет предельную растворимость одного компонента в другом.

Растворимость элементов, часто с понижением температуры, уменьшается при увеличении различия их атомных радиусов и их валентности. Твердые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость (рис. 4.7, а), а твердые растворы замещения могут быть с ограниченной (рис. 4.7, б) и с неограниченной растворимостью.

Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток составляющих их элементов, называют промежуточной фазой. Свойства последней, резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Промежуточные фазы могут иметь постоянный и переменный состав. Промежуточные фазы постоянного состава– химические соединения компонентов с кратным массовым соотношением элементов. Это позволяет выразить их состав формулой AmBn (A и B – компоненты, образующие сплав; m и n – простые числа) и постоянной температурой плавления (диссоциации).

Промежуточные фазы переменного состава, как и твердые растворы, являются кристаллами с переменной концентрацией компонентов. Переменный состав объясняется либо наличием небольших межузельных атомов в кристаллической решетке промежуточной фазы, либо недостатком атомов в узлах решетки.

Промежуточные фазы можно обозначать буквами греческого алфавита или химическими формулами, хотя промежуточные фазы переменного состава отличаются от типичных химических соединений, так как не подчиняются законам валентности. При сплавлении образуются промежуточные электронные фазы. Например, при электронной концентрации 3/2, 21/13, 7/4 фазам β, γ, ε в сплавах Cu–Zn соответствуют формулы CuZn, Cu5Zn8, CuZn3.

При какой (каких) температуре (температурах) возможен процесс кристаллизации?

В жидком металле(МL) при высоких t0 атомы находиться в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение МL приобретают в процессе затвердения, т.е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется ПЕРВИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Процесс изменения кристаллического строения вещества в твердом состоянии называется ВТОРИЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ.

Как всякий спонтанный процесс, кристаллизация протекает при термодинамических условиях, обеспечивающих снижение свободной энергии Гиббса системы F:

где U – внутренняя энергия, T – температура, S – энтропия.

Температура

Температура, при которой свободная энергия в твердом и жидком состояниях равна, называется равновеснойили теоретической температурой кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс сопровождался уменьшением свободной энергии. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (DТ):

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнения (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Для изучения кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменения t 0 c течением времени по мере охлаждения расплавленного ML.

ТКР
ТКР
ТКР
V3
V2
Т, °С
t, время
Тs равновесная тем-ра кристаллизации
V1

До точки ТКР охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На горизонтальном участке идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсируется рассеиванием теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Кристаллизация складывается из двух процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. Скорость каждого из процессов зависит от степени переохлаждения. При DТ = 0 образование зародышей кристаллов невозможно, т.к. равна нулю разность энергий Гиббса жидкого и твердого состояний. С увеличением переохлаждения эта разность растет, вызывая увеличение скорости возникновения центров (числа центров – ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.к.).

При небольших значениях (при малых величинах ч.ц. и больших с.к.) образуются крупнозернистые структуры. С увеличением переохлаждения структуры измельчаются (ч.ц. возрастает быстрее, чем с.к.)

От степени переохлаждения зависит критический размер зародыша, т.е. такой минимальный размер, при котором рост зародыша сопровождается снижением энергии Гиббса. Зародыши мельче критического к росту не способны и растворяются в жидкости.

При охлаждении жидкого металла атомы его в отдельных местах начинают группироваться образуя отдельные центры кристаллизации.

Вокруг отдельных центров кристаллизации начинают расти кристаллы.

В начале кристаллы растут свободно, т.к. со всех сторон их окружает жидкий металл. Затем они присоединяются друг к другу и начинают расти там, где еще есть жидкий металл.

Кристаллы присоединяются друг к другу и несмотря на их правильное строение получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.

От величины образования зерен, их формы и расположения зависят свойства металла.

Металлы и сплавы с мелкозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.


Схема процесса кристаллизации

В реальных условиях форма и размер образующихся кристаллов, помимо условий столкновения, зависят от направления и скорости отвода теплоты, температуры жидкого металла, вида и количества примесей. Нередко при кристаллизации возникают разветвленные древовидные кристаллы, называемые дендритами.

Вопросы теста:

С.к.

Ч.к. с.к.

Ч.к.

a) Любую. Характер структуры мало зависит от степени переохлаждения

Виды сплавов

Сплав – это вещество, полученное сплавлением двух и более компонентов, и состоящее из одной или нескольких фаз, образующих различные структуры.

Компонент – химически индивидуальное вещество, т.е. вещество которое может быть выделено из системы и существовать вне ее. Компонентами могут быть чистые металлы или неметаллы, а также химические соединения.

Фаза – совокупность гомогенных частей системы, одинаковых по составу, химическим и физическим свойствам, и отделенных от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую структура и свойства изменяются скачкообразно.

Структура – строение сплава, видимое в микроскоп, т.е. взаимное расположение фаз, их форма и размер (зерна).

В сплаве могут образовываться следующие фазы: расплав (жидкий раствор), твердые растворы, механические смеси, химические соединения.

В твердых растворах компоненты растворяются друг в друге не только в жидком, но и в твердом состоянии. Микроструктура таких сплавов состоит из однородных зерен, имеющих кристаллическую решетку элемента растворителя. Обозначают твердые растворы греческими буквами α, b, g.Аббревиатура вида А(В) означает твердый раствор, состоящий из компонентов А и В, причем компонент В растворен в кристаллической решетке компонента А.

Механические свойства твердых растворов нелинейно зависят от соотношения компонентов. Они могут быть существенно выше (ниже) свойств любого из образующих сплав компонентов.

Твердые растворы могут быть растворами замещения и растворами внедрения. В растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки, в растворах внедрения – внедрены в межузельное пространство. Растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными).


а) твердый раствор замещения; б) твердый раствор внедрения

В кристаллической решетке неограниченных твердых растворов А(В) атомы растворенного элемента В могут полностью заменить атомы растворителя А. В данном случае невозможно установить какой из элементов является растворителем, а какой растворенным веществом. Поэтому аббревиатура неограниченных растворов А(В) и В(А) идентичны.

При образовании механических смесей компоненты химически не взаимодействуют и не растворяются друг в друге. Металлографический анализ структуры обнаружит зерна каждого из входящих в состав сплава компонентов. Механические свойства смесей линейно зависят от соотношения компонентов и являются промежуточными между свойствами чистых компонентов.

Сплав – химическое соединение образуется при определенном соотношении компонентов. Ему может быть приписана химическая формула АmВn , где m и n – количество атомов компонентов А и В, образующих соединение. Химические соединения имеют следующие характерные особенности:

Ø Кристаллическая решетка, отличная от решеток элементов, образующих соединение;

Ø Атомы в решетке химического соединения расположены упорядоченно;

Ø Кратное весовое соотношение компонентов (АmВn);

Ø Резкое отличие механических свойств соединения от свойств элементов, образующих соединение;

Ø Имеют постоянную температуру плавления;

Ø Образование химического соединения сопровождается значительным тепловым эффектом.

Вопросы теста:

Теория сплавов

Кристаллизация металлов

При какой (каких) температуре (температурах) возможен процесс кристаллизации?

Закономерности кристаллизации металлов

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии. При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется. Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым. Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.

Свободная энергия – составляющая полной энергии, которая обратимо меняется с изменением температуры.

Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы

Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Размер зерен при кристаллизации зависит от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации- оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося вещества.

Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, добавлением в жидкие металлы посторонних веществ-модификаторов. По механизму воздействия модификаторов различают:

А)вещества, не растворяющихся в жидком металле-выступают в качестве дополнительных центров кристализации;

Б)поверхностно-активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаюсь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту

7. Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:

1. механические смеси;

2. химические соединения;

3. твердые растворы.

Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.

Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.

Кристаллическая решетка химического соединения

Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами. Характерной особенностью твердых растворов является: наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя. Твердый раствор состоит из однородных зерен

Схема микроструктуры твердого раствора

По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:

Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Внедрение – размещение атомов раствор вещ-ва в своб промежутках растворителя.

Строение – зона столб кристаллов, зона равноосн крист.

Система – группа тел, выбираемых для изучения или исследования.

Компонент – вещ-ва, необходимые и достаточные для образования системы.

Фаза – однородная часть системы, отделенная от неё другой частью системы, пов-тью раздела, при переходе ч-з которую хим состав или структура изменяются скачком.

8.Диаграмма состояния и её построение Правило фаз

Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз. Если вариантность C = 0 (нонвариантная система), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе. Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры

.

Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус. По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава.

Кристаллизация металлов

Всякое вещество может находится как минимум в трех агрегатных состояниях.

Переход металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с кристаллической структурой называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации происходит при определенных условиях:

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации.

Энергетическое состояние любой системы характеризуется запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения элементарных частиц, внутри ядерной энергии, энергии упругих искажений кристаллической решетки и других видов энергии.

Свободной энергией является та часть внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу.

Согласно второму закону термодинамики любая система стремится к минимально свободной энергии.

Самопроизвольная кристаллизация так же обусловлена стремлением металла, как системы, к минимуму свободной энергии.

С повышением температуры свободная энергия (энергия Гиббса) (G) твердой и жидкой фазы понимаются с разной скоростью.


Температура, при которой энергия Гиббса жидкой и твердой фаз равны, называется равновесной температурой кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации, но процесс кристаллизации не идет, т.к. отсутствует термодинамический стимул кристаллизации (стремление системы к понижению энергии).

Для того чтобы началась кристаллизация, необходимо обеспечить разницу энергий Гиббса жидкой и твердой фазы.

Температура при которой происходит кристаллизация – действительная или фактическая температура кристаллизации.

Разница между равновесной и фактической температурой кристаллизации называется степень переохлаждения. Поскольку энергия Гиббса твердой фазы при любой температуре ниже Т0 меньше энергии Гиббса жидкости кристаллизация будет проходить при любой температуре ниже Т0.

Жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, поэтому при кристаллизации выделяется тепло. Когда кристаллизуется чистый металл отвод теплоты вследствие охлаждения плотностью компенсируется теплотой кристаллизации, поэтому на кривой охлаждения координатах температуры, времени процесса кристаллизации соответствует горизонтальный участок.


Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения ΔТ1< ΔТ2< ΔТ3

Процесс кристаллизации состоит из 2-х параллельно протекающих процессов:

В.№7 Кристаллизация металлов как совокупность процессов зарождения и роста центров кристаллизации. Понятие центра кристаллизации и критического размера зародыша. Изменение свободной энергии системы в зависимости от размера зародыша. Влияние степени переохлаждения на скорость зарождения центров кристаллизации и линейную скорость роста зародышей.

Процесс кристаллизации металлов


При температуре Тп величины свободных энергий жидкого и твердого состояния равны. Процесс кристаллизации протекает при температуре, меньшей Тп. Для начала затвердевания необходимо переохлаждение (разность энергий). Переохлаждение тем больше, чем больше скорость изменения.

Процесс кристаллизации происходит в два этапа: образование зародышей кристаллов; рост образовавшихся кристаллов.

В реальных металлах центрами кристаллизации являются тугоплавкие частицы и стенки литейной формы.

В чистых металлах центрами кристаллизации служат области с дальним порядком расположения атомов (кластеры), т.е. их строение близко к строению кристаллической решетки.

Чем больше скорость охлаждения (степень переохлаждения), тем более мелкозернистая структура образуется. Если скорость охлаждения порядка 10 5 -10 6 градусов в секунду, получается аморфная структура.

5.Строение металлического слитка. Особенности строения литого и деформированного металла.

Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов за счет влияния холодных стенок формы, которые обеспечивают в начальный момент времени высокую скорость охлаждения. Затем растут большие кристаллы, вытянутые по направлению отвода теплоты (столбчатые кристаллы). В середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются большие равновесные кристаллы. При некоторых условиях (перегретый жидкий металл, малое содержание примесей) зона крупных равновесных кристаллов почти исчезает. Структура слитка состоит практически из одних столбчатых кристаллов - транскристаллическая.

Зона столбчатых кристаллов обладает наибольшей плотностью, но в местах стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и такие слитки часто расьтрескиваются при обработке давлением.

В верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Там содержится много количества усадочных пор. Слиток имеет неоднородный состав. По направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей: серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.

Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700 o С, для латуней и бронз – 560…700 o С, для алюминевых сплавов – 350…450 o С, для титановых сплавов – 550…750 o С.

Читайте также: