Процесс кристаллизации металлов

В жидком металле при высоких температурах атомы находятся в беспорядочном движении. Правильное кристаллическое строение металлы приобретают в процессе затвердевания, т. е. при переходе из жидкого состояния в твердое.

Процесс образования кристаллов при переходе вещества из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Если же кристаллическое строение вещества изменяется в твердом состоянии (железо, титан, кобальт, олово и др.), то такой процесс называется вторичной кристаллизацией. Сущность вторичной кристаллизации состоит в том, что в твердом металле при определенных температурах происходит перегруппировка атомов (перекристаллизация), образуются новые центры кристаллизации, в процессе роста которых возникает новая кристаллическая решетка. Это приводит к изменению свойств металлов.

Процесс первичной кристаллизации оказывает большое влияние на свойства металла, на его структуру. Впервые этот процесс исследовал русский ученый Д. К. Чернов.

Для изучения процесса кристаллизации строят кривые охлаждения, которые показывают изменение температуры с течением времени по мере охлаждения расплавленного металла (рис. 4). Чтобы построить их, необходимо иметь прибор для измерения температуры и счетчик времени. На рисунке 4 изображены кривые охлаждения чистых металлов: 1 кривая – теоретическая кривая; 2 и 3 кривые – фактические кривые, имеющие степень переохлаждения n (разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации); T_кр – критическая тонкая температура, или температура кристаллизации; Т_n – фактическая температура кристаллизации.

Процесс образования кристаллов происходит следующим образом: при охлаждении жидкого металла до температуры Т_n атомы его в отдельных местах начинают группироваться так же, как в кристаллических решетках твердого вещества. Образуются отдельные центры кристаллизации, вокруг которых начинают расти кристаллы. Вначале кристаллы растут свободно, так как со всех сторон их окружает жидкий металл. В дальнейшем кристаллы начинают присоединяться друг к другу и расти только в направлении, где еще имеется жидкий металл. Это приводит к тому, что кристаллы несмотря на их правильное внутреннее строение, получают неправильную внешнюю форму. Кристаллы неправильной формы называются зернами или кристаллитами.

От величины образовавшихся зерен, их формы и расположения зависят свойства металлов. Металлы и сплавы с мелкозернистым строением в отличие от металлов и сплавов с крупнозернистым строением имеют более высокую прочность и лучшую сопротивляемость ударным нагрузкам.

При крупнозернистом строении связь между отдельными зернами будет меньше, чем при мелкозернистом. Еще слабее связь между зернами, если в металле присутствуют различные нерастворимые примеси. Эти примеси располагаются по границам зерен в виде пленок и нарушают связь между зернами.

Согласно этой теории немецкого ученого Таммана, важнейшим фактором, определяющим величину зерна, является степень переохлаждения, которая тесно связана со скоростью охлаждения: чем больше скорость охлаждения, тем больше и переохлаждение.

Медленное охлаждение и малые степени переохлаждения приводят к образованию небольшого числа центров кристаллизации и большой скорости роста кристаллов, что способствует росту зерна. Наоборот, большие скорости охлаждения (большие степени переохлаждения) приводят к образованию большого числа центров кристаллизации при малых скоростях роста кристаллов. Поэтому при быстром охлаждении металлы и сплавы получают мелкозернистую структуру. Роль степени переохлаждения может стать второстепенной, если на величину зерна будут оказывать сильное влияние температура нагрева жидкого металла и время выдержки при ней, температура металла при заливке, способы заливки металла, скорость и направление отвода тепла, загрязненность металла посторонними примесями и др.

Особенно большое влияние на величину зерна оказывают посторонние примеси в металлах, играющие роль дополнительных центров кристаллизации.

В современной технике широко применяется процесс искусственного изменения размеров и формы зерен путем введения в расплавленный металл нерастворимых веществ – модификаторов. Они создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему металл или сплав получает мелкозернистое строение. Так, например, для стали в качестве модификатора применяют порошок окиси алюминия.