Плавление и кристаллизация металлов. Кристаллизация чистого металла. Условия образования мелкозернистой структуры

Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку жидкий металл обладает большей внутренней энергией, чем твердый, при кристаллизации выделяется теплота. Между теплотой Q и температурой кристаллизации Тк существует определенная связь. Степень перегрева при плавлении металлов не превышает нескольких градусов. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Причиной кристаллизации является стремление системы перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией, т. е. когда свободная энергия кристалла меньше, свободной энергии жидкой фазы. Переход металла из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением его свойств.Кристаллизация металлов, как впервые установил Д. К. Чернов в 1878 г., состоит из двух одновременно проходящих процессов: зарождения в жидком металле центров кристаллизации (ч.ц.) и роста кристаллов из этих центров (с.к.).Предположим, что на площади за секунду возникает пять зародышей будущих кристаллов, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй они выросли и одновременно с этим возникли еще пять новых зародышей. Так, путем возникновения зародышей и их роста идет процесс кристаллизации до тех пор, пока не исчерпается вся жидкая фаза металла, т. е. кристаллизация закончится на седьмой секунде. В процессе кристаллизации, пока кристаллы окружены жидкостью, они имеют геометрически правильную форму и отличаются друг от друга размерами и ориентировкой. При соприкосновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и их называют кристаллитами или зернами. Ответственные детали грузоподъёмных машин необходимо изготавливать из металлов с правильной кристаллизацией. Если вы решили приобрести лебедку скреперную, то лебедка 17лс от "Технологии подъёма" будет хорошим решением.Размер образовавшихся кристаллитов определяется соотношением скорости кристаллизации и числа центров. При большом значении с.к. и малом значении ч.ц., например образуется крупнокристаллическая структура. При малом значении с.к. и большом значении ч.ц. образуется мелкокристаллическая структура. Величина зерна зависит от температуры нагрева и разливки жидкого металла, его химического состава, наличия в нем посторонних примесей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно.Использование специально вводимых в жидкий металл примесей для получения мелкого зерна получило название модифицирования. В качестве модификаторов алюминиевых сплавов применяют ванадий, натрий, калий, титан; в качестве модификаторов сталей - алюминий, ванадий, титан; в качестве модификаторов чугуна - магний и церий. Уменьшение величины зерен при кристаллизации сопровождается значительным повышением механических свойств металла (предела прочности, твердости и др.).

Процесс кристаллизации чистого металла. До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла. Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов. Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых примесей, которые играют роль готовых центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды. Чем больше частичек, тем мельче зерна закристаллизовавшегося металла. Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации. Мелкозернистую структуру можно получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы.