Формирование структуры литых материалов
Студент должен
Знать
Процесс кристаллизации металлов и сплавов;
Особенности строения слитков;
Свойства аморфных материалов
Иметь представление о свойствах кристаллов
Кристаллизация – это переход из жидкого состояния в твердое.
Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура -время (рис. 1.9). Теоретический, т.е идеальный процесс кристаллизации охлаждения протекает при температуре Тs(рис. 1.9). При достижении идеальной температуры затвердевания Ts падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.
Рис.1.10. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью
Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Tn. Tn1, Тn2 (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (ΔT = TS-Тn) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тn на многих участках жидкого металла (рис. 1.11 а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 1.11, в, г, д).. Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней превращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 1.11 е).
Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов.
Рис. 1.11. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла
Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.
Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al2О3), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.
На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и. следовательно, мельче зерно металла.