Строение реальных кристаллов и дефекты кристаллической решетки

Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др.
Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам:
1) точечные (нульмерные) малы во всех трех измерениях, их размеры не больше нескольких атомных диаметров - это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы;
2) линейные (одномерные) малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла - это дислокации, цепочки вакансий и межузельных атомов;
3) поверхностные (двумерные) малы только в одном направлении и имеют плоскую форму - это границы зерен, блоков и двойников, границы доменов;
4) объемные (трехмерные) имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры - это поры, трещины;
Точечные дефекты - это вакансии, т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла (рис. 1, а), или атомы, внедрившиеся в межузлие (рис.1, б) решетки.

2. СЫРЬЁ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Для производства металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: Fe - не менее 30%; Cu – 0,4%; Мо – 0,005%.
Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединение, и пустой породы, т.е. различных примесей, в основном, кремнозёма SiO₂, глинозёма Al₂O₃. Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т.д.
В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатыми и бедными. Бедные руды обогащают, т.е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла.
Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования с пустой породой и золой топлива легкоплавких соединений, называемых шлаком.
Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удалён в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂, P₂O₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (СаО, МgО и др.).
Топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.
Качество топлива характеризуется его теплотворностью – количеством теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы топлива. Кроме того, качество топлива зависит от его зольности, содержания вредных примесей и др.
^ Кокс – пористый продукт спекания коксующихся углей, получаемый при удалении из них летучих веществ.
Мазут – тяжёлая жидкость, получаемая после перегонки из нефти бензина, керосина и других жидких фракций.
^ Природный газ – высококалорийное дешёвое топливо, почти не содержит серы и сажистых частиц углерода.
Доменный газ – побочный продукт доменного производства, применяют в смеси с другими газами.
^ Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Они должны сохранять прочность при нагреве, быть химически стойкими при воздействии расплавленного металла, шлака, раскалённых печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения.
По химическим свойствам огнеупорные материалы делятся на кислые, основные и нейтральные.
К кислым огнеупорным материалам относятся динасовый кирпич, кварцевый порошок и песок – материалы, содержащие 92…97% SiO₂. Динас огнеупорен до 1700°С.
К основным огнеупорным материалам относятся магнезит, доломит, хромомагнезит.
Магнезит содержит 80-85% MgO, огнеупорность до 2000°С.
^ Доломит содержит до 40% MgO и до 58% СаО, огнеупорность 1800-1950°С.
Хромомагнезит содержит 65-70% MgO и 20% Cr₂O₃, огнеупорность не ниже 2000°С.
Нейтральные огнеупорные материалы – шамот, хромистые огнеупоры, углеродистые огнеупоры.
Шамот – самый дешёвый получают из огнеупорных глин. Он содержит 30-40% Al₂O₃, 50-60% SiO₂, 1,5-3,0% Fe₂O₃, огнеупорность до 1750°С.
^ Хромистые огнеупоры содержат не менее 25% Cr₂O₃, огнеупорность 1800-2000°С.
Углеродистые кирпичи и блоки содержат до 92% С в виде графита, огнеупорность более 2000°С

Рудой называется горная порода, содержащая в своем составе металл или металлы в таких количествах, которые при современном уровне развития обогатительной и металлургической техники могут быть экономически выгодно извлечены в товарную продукцию. Руда состоит из минералов – природных химических соединений. Минералы подразделяют на рудные (ценные) и пустую породу. К пустой породе относят минералы, не содержащие извлекаемых элементов. Чаще всего породообразующими элементами являются кварц, карбонаты, силикаты и алюмосиликаты.

В зависимости от вида присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делятся на следующие группы:

- сульфидные, в которых металлы находятся в форме сернистых соединений. Примером таких руд могут служить медные, медно-никелевые и свинцово-цинковые руды;

- окисленные, в которых металлы присутствуют в форме различных кислородосодержащих соединений. К этой группе относятся алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные руды, руды ряда редких металлов.

- смешанные, в которых металлы могут находиться как в сульфидной, так и в окисленной форме (медные руды);

- самородные, содержащие металлы в свободном состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь и платина.

По числу присутствующих металлов руды классифицируются на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат минимум два ценных компонента.

3. Свариваемостью называют свойство различных материалов образовывать надежные и экономичные сварные соединения. Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов, их сплавов и других материалов. Это один из широко используемых процессов для создания новых и ремонта эксплуатируемых машин.

Главная задача сварки – получение прочного сварного соединения. Прочность обеспечивается атомно-молекулярными связями между элементарными частицами соединяемых элементов. Взаимодействие наступает при сближении их на расстояния, примерно равные атомному радиусу. Чтобы обеспечить процесс сварки, необходимо активизировать поверхностные атомы металла, выровнять поверхность или осуществить плотный контакт и удалить из зоны сварки оксиды и органические пленки. Поэтому возникновение межатомного или межмолекулярного взаимодействия происходит при затратах механической или тепловой энергии.

Процесс сварки состоит из трех условных этапов: формирование физического контакта; образование химических или металлических связей; создание прочного сварного соединения.

При термической сварке на первом этапе металл в месте сварки доводится до жидкого состояния. Для локального расплавления участка металла, с которым соседствуют большие объемы холодного металла, необходимы тепловые источники с температурой не ниже 3000 °С и высокой мощностью. За счет расплавления металла устраняются неровности и загрязнения соединяемых поверхностей. Этап заканчивается формированием физического контакта, при котором атомы находятся на расстояниях, необходимых для начала межатомного взаимодействия.

Второй этап характеризуется образованием сварочной ванны, в которую сливается расплавленный металл. Происходит сцепление атомов металла сварочной ванны и основного металла, приводящее к образованию прочных химических связей. Усилению межатомного взаимодействия способствует тепловая активность атомов расплавленного металла, сопровождаемая процессом диффузии. Третий этап наступает после удаления источника нагрева, происходит охлаждение жидкого металла и его кристаллизация. По окончании кристаллизации образуется монолитный шов, способствующий созданию прочных сварных соединений.

При механической сварке на первом этапе сближения соединяемых поверхностей увеличивают площадь контакта. С этой целью под нагрузкой деформируют неровности поверхностей, разрушают и удаляют оксидные и органические пленки. Достигается физический контакт, при котором в непосредственное соприкосновение вступают ювенильные (чистые) поверхности.

Контактирование ювенильных поверхностей приводит к межатомному взаимодействию свариваемых тел, при котором образуются металлические связи, – такова сущность второго этапа.

Третий этап охватывает диффузионные процессы, способствующие перемещениям частиц металла из места контакта на некоторые расстояния. Классификация видов сварки металлов по физическим признакам. В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, различают три класса сварочных процессов: термический, термомеханический и механический. Вид сварки объединяет сварочные процессы по виду источника энергии, непосредственно используемого для образования сварного соединения.
К термическому классу относятся виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии, а именно: дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная и литейная.
К термомеханическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления, а именно: контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, дугопрессовая, шлакопрессовая, термитно-прессовая и печная.
К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления, а именно: холодная, взрывом, ультразвуковая, трением и магнитоимпульсная.
Классификация видов сварки металлов по техническим признакам. К техническим признакам относятся: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность процесса и степень механизации сварки.
По способу защиты металла различают сварку в воздухе, вакууме, защитных газах, под флюсом, по флюсу, в пене и с комбинированной защитой. В качестве защитного газа могут применяться активные газы (углекислый, азот, водород, водяной пар и смесь активных газов), инертные газы (аргон, гелий и смесь аргона с гелием), а также смесь инертных и активных газов. Защита расплавленного металла в зоне сварки может быть струйной или в контролируемой атмосфере. Струйная защита газом расплавленного металла, осуществляемая только со стороны сварочной дуги, называется односторонней, защита со стороны сварочной дуги и корня шва - двусторонней.
По непрерывности процесса виды сварки бывают непрерывные и прерывистые; по степени механизации виды сварки подразделяются на ручные, механизированные, автоматизированные и автоматические.
Классификация видов сварки металлов по технологическим признакам. По технологическим признакам сварка подразделяется на дуговую, электрошлаковую, электроннолучевую, плазменно-лучевую, световую, газовую, контактную, диффузионную, печную, холодную и ультразвуковую.

Билет 32.

1. Плавлением называют процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое. Плавление происходит при постоянной температуре с поглощением тепла. Постоянство температуры объясняется тем, что при плавлении вся подводимая теплота идет на разупорядочение регулярного пространственного расположения атомов (молекул) в кристаллической решетке. При этом среднее расстояние между атомами и, следовательно, силы взаимодействия изменяется незначительно. Температура плавления для данного кристалла? его важная характеристика, но она не является величиной постоянной, а существенным образом зависит от внешнего давления, при котором происходит плавление. Для большинства кристаллов (кроме воды, и некоторых сплавов) температура плавления растет с увеличением внешнего давления, так как для отдаления атомов друг от друга при большем давлении требуется большая энергия тепловых движений, т. е. Более высокая температура.

Практически процесс кристаллизации металлов происходит при температуре ниже теоретической температуры кристаллизации, т. е. при некоторой фактической температуре кристаллизации.

Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации носит название явления переохлаждения. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, изображается кривыми охлаждения, которые строятся в координатах температура — время (рис. 24).

2. Деформа́ция —изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением относительно друг друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов.Упругая и пластическая деформация.Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае, полностью). Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела (предел упругости). Пластические деформации — это необратимые деформации, вызванные изменением напряжений. Деформации ползучести — это необратимые деформации, происходящие с течением времени. Способность веществ пластически деформироваться называется пластичностью. При пластической деформации металла одновременно с изменением формы меняется ряд свойств — в частности, при холодном деформировании повышается прочность. Пластическая деформация твердых тел (ползучесть) может происходить двумя принципиально разными механизмами: дислокационным и диффузионным. Первый механизм реализуется за счёт движения в объёме кристаллов дислокаций и других дефектов решётки и не требует термической активации.Диффузионный механизм реализуется путем перемещения вакансий и характерен для повышенных температур.Кроме того в качестве дополнительного механизма выделяется скольжение по границам зерен.

3. При контактной сварке путь тока неоднороден, особенно большое сопротивление возникает в контакте между свариваемыми частями, поэтому путь тока и прилегающая к нему зона металла разогреваются особенно быстро, интенсивно; в дальнейшем, в ходе контактной сварки и соединения деталей в одно целое, сопротивление контакта постепенно исчезает.

Контактная сварка относится к способам сварки давлением, так как после достижения необходимого нагрева соединяемые части сдавливаются осадочным устройством, на чем и заканчивается процесс сварки.

Контактная сварка подразделяется на несколько видов, причем во всех случаях электрическая часть машины бывает примерно одинаковой. По форме соединения различают такие виды контактной сварки: стыковую, точечную и шовную (роликовую).

Электрошлаковая сварка (ЭШС) — вид электрошлакового процесса, сварочная технология, использующая для нагрева зоны плавления тепло шлаковой ванны, нагреваемой электрическим током. Шлак защищает зону кристаллизации от окисления и насыщения водородом.

В холодном металле растворимость водорода на два порядка ниже, чем в жидком, а в атмосфере водорода всегда хватает. Поэтому, если металл без специальной защиты расплавить, а потом быстро охладить, то выходящий водород может спровоцировать образование трещин.

Процесс сварки является бездуговым. В отличие от дуговой сварки для расплавления основного и присадочного металлов используют теплоту, выделяющуюся при прохождении сварочного тока через расплавленный электропроводный шлак (флюс). Затем электрод погружают в шлаковую ванну, горение дуги прекращается и ток начинает проходить через расплавленный шлак. Сварку выполняют снизу вверх чаще всего при вертикальном положении свариваемых деталей с зазором между ними. Для формирования шва по обе стороны зазора устанавливают медные ползуны-кристаллизаторы, охлаждаемые водой. По мере формирования шва ползуны перемещаются в направлении сварки.

По виду электрода различают электрошлаковую сварку проволочным, пластинчатым электродом и плавящимся мундштуком; по наличию колебаний электрода — без колебаний и с колебаниями электрода; по числу электродов — одно-, двух- и многоэлектродную.

Билет 33.

1. Основы термодинамики и кинетики фазовых превращений при нагреве и охлаждении

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 3.1.

Рис.3.1. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой вещество выше температуры Т_Sдолжно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

При температуре равной Т_S жидкая и твёрдая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения:

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязнённости (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения).

Аморфный материал — в-во, у к-рого отсутствует упорядоч. распределение атомов. Понижение темп-ры жидкости или расплава приводит к их переходу в твердое состояние. В ряде случаев, особенно при охлаждении жидкости, состоящей из ассоциированных ионных групп, имеющих большие размеры и раз-ветвл. форму. Переходу в твердое состояние предшествует столь сильное возрастание вязкости, что затвердевание происходит без упорядочения структуры, предшествующего кристаллизации. Такие застывшие жидкости и расплавы классифицируются как аморфные твердые тела. А.м. отличаются от кристаллич. изотропностью, поэтому переход А.м. из твердого в жидкое состояние не сопровождается скачкообразным изменением св-в, что является важным отличит, признаком.
Кристаллич. материалы имеют точку плавления, при к-рой происходит скачкообразное изменение св-в. А.м. характеризуются темп-рным интервалом размягчения и непрерывным изменением св-в. Это свидетельствует о постеп. разрушении связей при нагревании. Теплота образования А.м. меньше, чем кристаллич., однако на практике самопроизвольный переход А.м. в кристаллич. состояние наблюдается крайне редко, что объясняется чрезвычайно малой скоростью его протекания. Типичными аморфными телами являются стекла, поэтому А.м. наз. стеклообразными. А.м. являются полимеры, к-рые отличаются тем, что образуются не в результате понижения темп-ры, а путем хим. соединения молекул.

2. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Тело деформируется под действием приложенных к нему внешних сил или различными физико-механическими процессами, например, вследствие температурного воздействия или изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.
При этом в теле возникают внутренние напряжения. Напряжением называется отношение действующего усилия к площади поперечного сечения тела или образца σ = P/F.
Сила Р, действующая на некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают не только нормальные, но и касательные напряжения (рисунок ниже, а). В зависимости от направления действия силы нормальные напряжения подразделяют на растягивающие и сжимающие.
Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла, сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и т.д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок ниже, б). Пик напряжений (σ_k) тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения. Различают временные и остаточные напряжения.
Временные напряжения возникают под действием внешней нагрузки и исчезают после ее снятия,остаточные - остаются в теле после прекращения действия нагрузки.

Внутренние напряжения могут возникать при неравномерном нагреве изделия вследствие неоднородного расширения металла в различных зонах. Эти напряжения называют температурными. Кроме того, напряжения возникают вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д. Их называют фазовыми или структурными.

3. Выпускаемый прокат имеет определенную форму поперечного сечения (профиль) и размеры и называется сортаментом прокатных изделий. Прокатные изделия стандартизованы. Промышленный сортамент сталей подразделяется на листов ой, сортовой и специальный.
Листовой прокат бывает толстолистов ым (толщиной от 4 до 60 мм (иногда до 450 мм), шириной 600—3000 мм и длиной 4—12 м) и тонколистов ым (толщиной от 0,2 до 3,75 мм и шириной 600—2200 мм). К листов ому прокату относится также сталь кровельная, котельная, оцинкованная, рифленая, волнистая и декапированная (протравленная после отжига), черная полированная и белая (покрытая оловом) жесть, лента.
Сортовой прокат 22) бывает простого и фасонного профиля. К простому прокату относится сталь квадратная 1, 2 и 3, круглая 4, прямоугольная 5, треугольная 6, овальная 7, полукругла* S, сегментовая 9, ромбовидная 10. К сортовому прокату фасонного (сложного) профиля относятся неравнобокие II М разнобокие 12 уголки, швеллеры 13, двутавровые 14 и тавровые 15 балки, рельсы 16, зетовая сталь 17.
К специальным видам проката относятся шестерни, дисковые колеса, колесные бандажи, шарики, направляющие турбинных лопаток н др. Они применяются в сельскохозяйственном, железнодорожном производстве, а также в других областях машиностроения и строительства.
Прокаткой получают проволоку диаметром более 4 мм. В прокатном производстве изготавливают и так называемый периодический прокат — изделия с периодически изменяющимся по длине сечением (рычаги, шатуны, заготовки для коленчатых валов и др.).
Прокат цветных металлов в основном изготавливается в виде листов, лент и проволоки.

Ковка и штамповка

Ковка и штамповка — два наиболее распространенных способа получения металлических изделий. Штамповка делится на два основных вида в зависимости от температуры обработки металла — горячая объемная штамповка и холодная штамповка листового металла и заготовок из прутков.

Ковка и штамповка имеют своей целью одно и то же — деформирование заготовки с целью придания ей необходимой формы, но механизмы этих процессов различны.

В процессе ковке деформирование производится с использованием бойков, представляющих собой универсальный подкладной инструмент. Существуют бойки разной формы, наиболее распространены плоские, но встречаются также закругленные и вырезные бойки. В процессе ковки нижний боек остается неподвижным, в то время как верхним бойком совершаются возвратно-поступательные движения. Необходимая форма и размеры придаются заготовке постепенно и становятся результатом многократного и непрерывного воздействия на нее инструмента.

Объемная штамповка — это процесс, в основе своей имеющий совершенно иной механизм. Заготовке придается необходимая форма и размеры при помощи штампа — специальной формы, полость которой заполняется металлом. Получившаяся в итоге деталь имеет форму, соответствующую форме полости штампа. Метод горячей штамповки отличается высокой производительностью, но и немалой стоимостью, ввиду дороговизны штампов и быстрого исчерпывания их ресурса, поэтому применять горячую штамповку имеет смысл только в том случае, когда речь идет о серийном производстве и крупных партиях.

Билет 34

1. Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Т_s (рис. 3). При достижении идеальной температуры затвердевания T_s 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.

 

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Т_n, T_n1, Т_n2, (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (∆T=T_s-Т_n) 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 Т_n на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. 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. 4, е).
Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. 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, Al₂O₃), 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.
Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм, т. е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов - марганец, титан, ванадий.
Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества, Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.
Строение металлического слитка. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 5). Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла - так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) - оси второго порядка, от осей второго порядка - оси (3) - третьего порядка и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

 

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла.
При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом, поэтому скорость охлаждения металла снижается и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.
В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.
Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

 

Аллотропия металлов. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911-1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) γ-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - α-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву α, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).