1.2. Строение и кристаллизация металлов.
1.2.1. Кристаллические решетки металлов.
Металлы - кристаллические тела, атомы которых располaгaются в геометрически правилъном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.
Располагаясь в металлах в строгом nopядкe, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве - атомно-кристаллическую решeтку.
Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются решетки: кубическая – объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная.
Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приведены на рис. l.5. В ячейке решетки кубической объемноцетрированной атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вершинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алюминий, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внугри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристаллическая решетка состоит из огромного количества ячеек.
Размеры кристаллической решетки характеризуются ее параметрами, измеряемыми в ангстремах - Ã (1Ã = 10-8 см или 1 Ã = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется длиной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28 - 0,6 Нм (2,8 - 6 Ã). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра - сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с!а = 1,633,то атомы упакованы наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гексагональной плотноупакованной. .
В различных плоскостях кристаллической решетки атомы расположены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией. Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаплов аморфные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны.
Степень анизотропности может быть значительной. Исследования монокристалла (единичного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности σв изменяется от 120 ДО 360 МН/м2 (от 12 до 36 кгc/мм2), а удлинение δ от 10 до 55%.
В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется – квазиизотропией (приставка «квази» означает по латыни мнимый).
Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.
1.2.2. Кристаллизация металлов.
При переходе металла из жидкого состояния в твердое происходит так называемый процесс крисмаллизации.
Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах - металловедения Д. К. Черновым, который установил, что кристаллизация состоит из двух процессов:
зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или «центров» кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 1.6.)
Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов в месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается, и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами, или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше.
Рис.1.7. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующих зерен: 1 – медленное охлаждение; 2 - ускоренное охлаждение; 3 - быстрое охлаждение.
На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис. l.7.) Это подтверждается на практике в тонких сечениях литых деталей, охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медленнее.
Методом получения мелкого зерна при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами; процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название модифицирования.
Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования носит так называемый дендритный характер.
Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки; которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние).
В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла – так называемые оси первого порядка (1 на рис. 1.8.).
В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка (2), от осей второго порядка растут оси третьего порядка (3) и т. д.
По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.
В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например, при затвердевании последних объемов слитком, дендритное строение выявляется весьма отчетливо рис. 1.8.