Строение металлов и сплавов, их кристаллизация

Внутренним строением металлов называется строение и взаимное расположение их атомов, а также более крупная структура, видимая в микроскоп или невоору­женным глазом.

Металлы по внутреннему строению представляют со­бой совокупность нейтральных атомов, положительно или отрицательно заряженных ионов и свободных элек­тронов, образующих так называемый «электронный газ». Наличие «электронного газа» обусловливает высокую электро- и теплопроводность металлов, а взаимосвязь свободных электронов между собой и с ионами создает прочную связь, называемую металлической. Специфика металлической связи делает металлы пластичными (ков­кими).

Кроме природы атомов на свойства металлов влияют характер связи между атомами, расстояние между ни­ми и порядок их расположения.

Все металлы в твердом состоянии имеют кристалли­ческое строение, т.е. их атомы (ионы) расположены в строгом, периодически повторяющемся порядке, обра­зуя в пространстве атомно-кристаллическую решетку (в противоположность аморфным твердым телам, атомы которых расположены в пространстве хаотично).

Порядок расположения атомов у различных метал­лов неодинаков. Обычно он определяется простыми характерными для большинства металлов (рис. 6) или сложными кристаллическими решетками. Линии на рис. 6 условные Атомы в действительности колеблются возле положений равновесия, т. е. в узлах кристалличе­ской решетки. Расстояние между атомами в кристалли­ческой решетке измеряется в ангстремах (1 Å=10^-9нм). У большинства металлов расстояние между атомами на­ходится в пределах 0,28—0,8 нм.

Рис 6. Порядок расположения атомов в простых решеткаха — объемная центрированной кубической (9 атомов), б — гранецентрирован­ной кубической (14 атомов), в — гексагональной плотноупакованной (17 атомов)

Наименьший объем кристалла, дающий представле­ние об атомной структуре металла во всем объеме, на­зывается элементарной кристаллической ячейкой.

Получаемые обычным способом металлы представля­ют собой поликристаллические тела, состоящие из мно­жества элементарных ячеек, ориентированных относи­тельно друг друга самым различным образом. Ячейки имеют неправильную форму и называются кристаллита­ми, или зернами. Если сочетание элементарных ячеек правильное, по расположению атомов повторяющее эле­ментарную ячейку, то образовавшееся тело называется монокристаллом.

Металлические сплавы, как и металлы, имеют кри­сталлическое строение. При этом в зависимости от взаимодействия компонентов они подразделяются на твердые растворы, химические соединения и механиче­ские смеси.

Твердые растворы образуются тогда, когда при сплавлении атомы одного элемента в разных количест­вах входят в кристаллическую решетку другого элемента, не изменяя в значительной мере ее формы. Элемент, сохранивший форму своей решетки, называется раство­рителем, а элемент, атомы которого вошли в эту решетку,— растворенным. По размещению атомов растворенного элемента в решетке растворителя различают твердые растворы замещения (атомы растворенного элемен­та располагаются в узлах решетки растворителя) и твердые растворы внедрения (атомы растворенного эле­мента находятся между атомами растворителя и узлами его решетки).

Если входящие в состав твердого раствора замеще­ния компоненты имеют близкое строение решеток и ато­мов, то такие элементы могут образовывать непрерыв­ный ряд твердых растворов, т. е. количество замещенных атомов может изменяться от 0 до 100 %.

При этом считается, что растворителем является тот элемент, содержание которого в сплаве более 50 %.

Растворы внедрения образуются элементами, сильно отличающимися строением решетки и размерами атомов.

Твердые растворы являются гомогенными (однород­ными) сплавами, так как их структура представляет собой одинаковые по составу и свойствам зерна. Свой­ства твердых растворов в значительной степени могут отличаться от свойств входящих в него компонентов. Все металлы в той или иной степени могут растворять­ся один в другом, образуя твердые растворы.

Химические соединенияобразуются при химическом взаимодействии атомов компонентов сплава, сопровож­дающемся значительным тепловым эффектом. При этом кристаллическая решетка химического соединения и все его свойства могут резко отличаться от решетки и свойств компонентов. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образуются между ком­понентами, имеющими большое различие в электронном строении атомов. Типичными примерами химических соединений являются соединения магния с оловом, свин­цом, сурьмой, висмутом, серой, селеном, теллуром и др. По своей структуре они гомогенны.

Химические соединения металлов называются интер­металлическими (интерметаллидами), а соединения ме­таллов с неметаллами (нитридами, гидридами, борида­ми, карбидами), обладающие металлической связью, — металлическими соединениями.

Механические смесиобразуются тогда, когда при затвердении расплава атомы его компонентов не пере­мешиваются, а кристаллизуются в характерную каждо­му решетку. Структура таких сплавов гетерогенна (не­однородна) и представляет собой смесь кристаллов ком­понентов сплава, сохранивших свою структуру.

Рис. 7. Кривые охлаждения аморфного (а), кристаллического тела (б) и металлов (в), где t_к t_п — температура кристаллизации и пере­охлаждения, °C; (T₁-T₂) — время кристаллизации, с.

Строение кристаллического тела обусловливает сле­дующие особенные их свойства по сравнению с аморф­ными:

§ различие свойств монокристаллов в различных на­правлениях, т. е. анизотропность, или векториальность, свойств;

§ наличие плоскостей скольжения, приложение внеш­них сил приводит к скольжению (сдвигу) одной плоско­сти относительно другой;

§ существование критической температуры при затвер­девании или плавлении, при которой происходит переход из жидкого (расплавленного) состояния в твердое или наоборот.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а из твердого в жидкое — плавлением. Если образование кристаллов происходит из жидкости при ее охлаждении, то этот процесс назы­вается первичной кристаллизацией, если образование кристаллов идет в твердом состоянии тела, — вторичной кристаллизацией.

Процессы кристаллизации графически изображают кривыми, строящимися в координатах температура — время (рис. 7).

Явление переохлаждения в кристаллизующемся ме­талле объясняется тем, что в период затвердевания происходит резкое снижение подвижности атомов, вследствие чего скачкообразно изменяется его внутренняя энер­гия. Это сопровождается выделением тепла, которое подогревает жидкую ванну и некоторое время (T₁—Т₂) удерживает ее температуру постоянной, пока жидкость полностью не закристаллизуется.

Степень переохлаждения тем больше, чем больше ско­рость охлаждения.

Русский ученый-металлург Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из не­скольких стадий. Первая стадия — образование зароды­шей (центров) кристаллизации. На последующих стади­ях из этих центров образуются дендриты (древовидные образования), которые, срастаясь, образуют зерна (крис­таллиты). При этом они не имеют правильной геометри­ческой формы, так как в местах соприкосновения расту­щих кристаллов рост граней прекращается.

Величина зерна металла — важнейшая характеристи­ка, которая определяет все основные его свойства. Мелко­зернистый металл имеет более высокие характеристики твердости, прочности, ударной вязкости, но у него пони­женная электропроводность, хуже магнитные свойства.

Размер зерна зависит от количества центров кристал­лизации и скорости роста кристаллов (скорости охлаж­дения). Чем больше центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше будет зерно.

Образование центров кристаллизации может проис­ходить самопроизвольно или на имеющихся в жидком металле частицах примесей, что используется при моди­фицировании — введении в жидкий металл примесей (модификаторов).

На образование центров кристаллизации, а следова­тельно, и величину зерна влияет степень переохлаждения t_к—t_п (см. рис. 7). Чем больше степень переохлаждения, тем больше центров кристаллизации и мельче образую­щееся зерно.