§ 2. Кристаллизация металлов

Кристаллизацией называется процесс перехода металлов из жидкого состояния в твердое, когда в металле формируется кри­сталлическая решетка.

1. Процесс затвердевания металлов. В 1878 г. русский ученый металлург Д. К. Чернов установил, что затвердевание металлов начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним — оси высших порядков (рис. 1.3,а). Такие первичные кристаллы, напоминающие внешним видом дере­во, получили название дендритов (от греч. дендрон — дерево). Дальнейший рост дендритов и формирование кристаллов происхо­дят за счет жидкого металла, заполняющего межосевое простран­ство. При росте кристаллы в определенный момент сталкиваются, препятствуют росту один другого в различных направлениях, в результате чего приобретают случайную внешнюю форму (рис. 1.3,6). Такие кристаллы называют зернами. Размер и коли­чество зерен к концу кристаллизации зависят от скорости зарожде­ния (количества центров) и роста кристаллов, которые, в свою очередь, определяются скоростью охлаждения затвердевающего металла. С повышением скорости охлаждения число зародышей увеличивается в большей степени, чем скорость их роста, поэтому размер зерен в металле уменьшается.

2. Строение слитка. Рассмотренная схема кристаллизации по­зволяет объяснить структурную неоднородность металлического слитка. В общем случае в его структуре можно выделить три зоны (рис. 1.4).

Внешняя зона 1 слитка состоит из мелких неориентированных зерен, формирующихся в начальный момент затвердевания, когда

Рис. 1.3. Схемы дендрита (а) и затвердевания жид­кого металла (б)

металл, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с весь­ма большой скоростью.

Рис. 1.4. Схема строе­ния металлического слитка

После образования внешней мелкозернис­той зоны условия затвердевания металла ме­няются, скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (пер­пендикулярно к стенкам формы), поэтому зер­на приобретают столбчатый вид 2.

• Внутренняя зона слитка 3 (зона равноос­ных зерен) формируется в условиях равно­мерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определен­ного направления (см. рис. 1.3,6).

В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке об­разуется усадочная раковина 4 (рис. 1.4).

§ 3. Общие сведения о строении сплавов

Металлическими сплавами называют сложные вещества на ос­нове металлов, сохраняющие высокую электро- и теплопроводность, ковкость и другие свойства. Сплавы могут состоять из несколь­ких металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов — к металлам.

В жидком состоянии большинство сплавов однородны и в фи­зико-химическом понимании представляют одну' фазу¹. После за­твердевания в сплаве может образоваться несколько фаз. Количе­ство фаз и их природа определяются характером взаимодействия компонентов сплава при затвердевании.

Если компоненты сплава растворяются один в другом, то обра­зуются так называемые твердые растворы. При этом атомы рас­творимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее. Такие сплавы являются однофазными и состоят из зерен твердого раствора с кри­сталлической решеткой компонента-растворителя. В случае огра­ниченной растворимости компонентов образуется двухфазный сплав, в котором второй фазой может быть чистый компонент или его хи­мическое (металлическое) соединение с другим компонентом.

Если при затвердевании компоненты сплава не взаимодействуют между собой, то образуется механическая смесь зерен каждого из компонентов. Механическая смесь сплава может состоять из двух и большего числа фаз. При этом каждая из фаз сохраняет свой тип кристаллической решетки. '

Ряд компонентов при затвердевании могут вступать в химическое взаимодействие и образовывать химические соединения как металлов

неметаллами (например, карбид железа Нс₃С), так и металлов

• металлами (например, СиА1₂); последние обычно называют метал- итескими соединениями.

Таким образом, фазами в сплавах могут быть: чистые ксмпонен- ■[,! твердые растворы или химические (металлические) соединения, (и’мбинации этих фаз образуют структурные составляющие сплавов, ₄ флктеризующиеся однородным строением.