Строение и кристаллизация металлов
Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют поликристаллическую структуру, состоящую из отдельных зерен – монокристаллических областей, ориентированных относительно друг друга под различными углами. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна. Линейный размер зерен составляет 1–104 мкм.
С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что кристаллическое строение твердых тел, состоящих из различных атомов, описывается 14 различными типами пространственных элементарных ячеек.
Наиболее широко применяются металлы и сплавы, образованные одним из 3-х типов пространственных решеток, определяемых отдельно взятой элементарной ячейкой: кубической объемно центрированной ОЦК (a–Fe, b–Fe, d–Fe, Cr, W, Mo, V и др.); кубической гранецентрированной ГЦК (g–Fe, Cu, Al, Ni, Pb и др.); гексагональной плотноупакованной ГПУ (Ti, Mg, Zn, Be и др.) (рис. 3.1).
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Подвижность атомов при снижении температуры уменьшается, устанавливается определенный порядок в их расположении с образованием отдельных групп атомов, близких к элементарным ячейкам, имеющимся в твердом металле. Возникают центры кристаллизации – зародыши, вокруг которых постепенно образуется твердая фаза. Кристаллизация происходит вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией [7].
|
a б в |
Рис. 3.1. Атомно-кристаллическое строение металлов с кубической объемно центрированной (а); гранецентрированной (б) и гексагональной плотноупакованной (в) элементарными ячейками
Процесс кристаллизации характеризуют кривыми охлаждения или нагревания, изображенными в координатах температура – время. На рис. 3.2 изображены кривые охлаждения металла и двухкомпонентного сплава. При охлаждении расплавленного чистого металла вначале (участок 1 – 2 рис. 3.2,а) понижение температуры идет плавно. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения (рис. 3.2,а) появляется горизонтальный участок 2 – 3, так как отвод тепла в окружающую среду компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно (участок 3 – 4 рис. 3.2, а).
При охлаждении из жидкого состояния сплава двух металлов процесс кристаллизации протекает несколько иначе (рис. 3.2, б).
Точка 2 соответствует началу выделения из жидкой фазы кристаллов одного из компонентов сплава. Выделяющаяся при кристаллизации теплота замедляет ход кривой охлаждения, и в точке 2 кривая изменяет наклон (участок 2 – 3). Выпадение кристаллов избыточного компонента и равномерное понижение температуры происходят, пока сплав не достигнет определенного состава. В дальнейшем наблюдается одновременная кристаллизация компонентов, происходящая при постоянной температуре (участок 3 – 4 рис. 3.2,б). После полного затвердевания сплава в точке 4 его температура снова начинает снижаться по плавной кривой 4 – 5.
Рис. 3.2. Кривые охлаждения металла (а) и двухкомпонентного сплава (б)
Температура, соответствующая каким-либо фазовым превращениям в металле или сплаве, называется критической точкой. При нагревании твердых металлов или сплавов процесс их расплавления сопровождается поглощением теплоты.