Кристалізація металів І сплавів

 

Кристалізацією називають перехід металів з рідкого стану в твердий кристалічний. Відбувається вона внаслідок переходу системи до термодинамічно більш стійкого стану з меншою вільною енергією або термодинамічним потенціалом. Вільна енергія системи, що має величезне число охоплених тепловим рухом частинок, становить F = U - TS, де U - повна енергія системи; T - абсолютна температура; S - ентропія (характеризує тепловий стан тіла). З підвищенням температури вільна енергія зменшується. Процес кристалізації складається з двох стадій:

- утворення центрів кристалізації (зародків кристалів);

- розростання кристалів навколо цих центрів.

Утворений центр кристалізації стає стійким лише при досягненні достатнього (критичного розміру). Критичним називається мінімальний розмір зародка, здатного до росту при даних температурних умовах.

Гомогенне виникнення зародків у рідкому металі може відбуватися тільки в дуже чистому металі. В технічних металах завжди присутня велика кількість домішок, які за певних умов полегшують виникнення зародків, оскільки фактично є готовими центрами кристалізації. Таке виникнення зародків на основі сторонніх центрів кристалізації називають гетерогенним.

 

Методичні рекомендації

В цьому розділі необхідно розглянути залежність вільної енергії металу в рідкому та твердому станах від температури. Визначити рівноважну температуру кристалізації (плавлення). Розглянути криві охолодження при кристалізації металу з різними швидкостями, механізм і параметри процесу кристалізації.

Питання для самоперевірки

1. Визначте енергетичні і температурні умови процесу кристалізації. 2. Що називається ступенем переохолодження і як на нього впливає швидкість охолодження? 3. Визначте стадії процесу кристалізації. Визначте вплив ступеню переохолодження на розмір критичного зародка. 4. Проаналізуйте способи регулювання розмірів зерен в процесі кристалізації. 5. Визначте фактори, які впливають на форму кристалів. Дайте характеристику зонам металевого зливка.

 

ХОЛОДНА ПЛАСТИЧНА ДЕФОРМАЦІЯ І РЕКРИСТАЛІЗАЦІЯ МЕТАЛІВ

 

Деформацією називають зміну форми та розмірів тіла під дією сил. Деформація буває пружною, яку можна усунути припиненням дії сил, і пластична, яка залишається і після того, як сили перестали діяти. У разі пружного деформування змінюється відстань між атомами в кристалічній решітці. При пластичному деформуванні відбувається зсув (ковзання) однієї частини кристала відносно іншої. Також пластична деформація реалізується двійнікуванням, яке завершується зсувом частини кристала в інше симетричне щодо першої частини положення відносно площини двійникування.

Наклеп - зміцнення металу внаслідок пластичної деформації. Особливо інтенсивно властивості міцності підвищуються на початкових стадіях деформації. При великих значеннях деформації настає "насичення", тобто властивості міцності практично не підвищуються, спроможність до пластичної деформації втрачається, починається процес руйнування. У процесі деформації густина дислокацій збільшується. Накопичення іх відбувається на гpаницях зерен, блоків та включень. Виникають "сидячі" (закріплені) дислокації у кристалічних площинах, по яких не може здійснюватися ковзання. Збільшення густини дислокацій і основною причиною підвищення властивостей міцності. Вважається, що зміцнення досягає насичення при густині дислокацій, яка дорівнює 10¹² см^–2. Пластична деформація викликає зміни фізичних властивостей металу: підвищується електроопір, коерцитивна сила, збільшується питомий об'єм, зменшується теплопровідність.

 

Температура, за якої властивості інтенсивно змінюються в напрямку до початкових, називається температурним порогом рекристалізації.

 

Пластична деформація переводить метал у структурно-нестійкий стан. Для збільшення рухливості атомів і переходу металу з нестабільного стану в стабільний необхідно підвищити температуру. При нагріванні в пластично-деформованому металі розвиваються таки процеси: повернення, первинна і вторинна рекристалізації. Процес, при якому властивості поступово змінюються у напрямку до початкових, називається відпочинком, або поверненням. Після відпочинку не спостерігаються зміни стpуктуpи. При звичайному металографічному дослідженні виявляється волокниста стpуктуpа, притаманна деформованому шару. Рентгеноструктурний аналіз виявляє зменшення напруги другого роду, отже, відбувається зміна тонкої структури зерен. При певному підвищенні температури у вузькому інтервалі спостерігається різка зміна властивостей у напрямку до початкових, тобто до тих, які мав матеріал до пластичної деформації При цьому металографічні дослідження виявляють різку зміну стpуктуpи деформованого металу. На фоні волокнистої стpуктуpи з’являются нові рівноважні зерна. З підвищенням температури та збільшенням часу витримки вони заповнюють весь об'єм металу.

Процес заpодження нових рівноважних зерен під час нагрівання пластично деформованого металу називається первинною рекристалізацією. При рекристалізації утворюються зародкові центри, що являють собою мікрооб'єми з відновленими кристалічними ґpатками. Вони з'являються у місцях, де було найбільше викpивлених кристалічних ґpаток і напруга була максимальною. Виниклі зародки ростуть шляхом приєднання атомів із спотвоpеного оточення, напруга при цьому зменшується. Розмір зерна після рекристалізації суттєво впливає на властивості металу. Метали та сплави з дрібним зерном є значно міцнішими.

Методичні рекомендації

В даному розділі необхідно розглянути фізичну природу деформації і руйнування. Особливу увагу приділіть механізму пластичної деформації, її впливу на структуру металу, а також на щільність дислокацій. Розберіться в сутності явища наклепу і його практичному використанні.

Необхідно знати сутність рекристалізаційних процесів: повернення, первинної рекристалізації, вторинної рекристалізації, що протікають при нагріванні деформованого металу. Усвідомити, як при цьому змінюються механічні і фізико-хімічні властивості. Встановити вплив складу сплаву і ступеня пластичної деформації на протікання рекристалізаційних процесів.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть у чому полягає різниця між пружною і пластичною деформаціями? 2. Як змінюється будова металу в процесі пластичного деформування? 3. Як змінюється щільність дислокацій при пластичній деформації? 4. Як впливають дислокації на міцність металу? 5. Чому спостерігається величезне розходження теоретичної і практичної міцності? 6. Як впливає зміна будови на властивості деформованого металу? 7. У чому сутність явища наклепу і яке він має практичне використання? 8. Проаналізуйте процеси, які протікають в деформованому металі при нагріванні. 8. Як змінюються властивості деформованого металу при нагріванні? 9. Яке призначення рекристалізаційного відпалу і як він здійснюється?

ТЕОРІЯ СПЛАВІВ

Сплав – це речовина, яку одержують сплавленням двох або більш компонентів. До інших методів отримання сплаву відносяться спікання, електроліз, сублімація. У цьому випадку речовини називають псевдосплавами, але найбільш поширеним є виробництво сплавів через сплавлення різних елементів (речовин). У виробництві переважно використовують не чисті метали чи неметали, а сплави металів з металами або з неметалами, бо вони мають більш високі властивості. Крім того, сплавлення дає змогу в широких межах змінювати в потрібному напрямку ці властивості.

Слав, який одержують переважно з металевих елементів і має металеві властивості, називають металевим сплавом, будова якого безпосередньо залежить від того, як взаємодіють компоненти сплаву. У твердому стані може не бути хімічної взаємодії між компонентами – простими речовинами, які утворюють сплав. Тоді сплав являє собою механічну суміш окремих частинок, зерен компонентів.

Складові сплаву можуть взаємодіяти, утворюючи хімічні сполуки, взаємно розчинятися, утворюючи розчини. Крім розчинів та хімічних сполук, можливо утворення таких фаз, які не належать до згаданих і є проміжними.

Фаза – це однорідна частина системи, яка відокремлена від інших частин поверхнею поділу, при переході через яку різко змінюються склад і властивості.

Під структурою розуміють форму, розміри та взаємне розташування фаз у матеріалі.

Тверді розчини – це фази змінного складу, в яких атоми іншого елементу В розміщуються у решітці елементу А, не змінюючи їх типу. Розміщення відбувається заміщенням або шляхом проникнення атомів В між вузлами граток А. У першому випадку розчини називають твердими розчинами заміщення, у другому – твердими розчинами проникнення.

Тверді розчини заміщення. У цьому випадку атоми розчиненої речовини розподіляються у решітці розчинника шляхом заміщення атомів останнього. Утворення твердих розчинів завжди супроводжується збільшенням електроопору; тверді розчини менш пластичні і завжди твердіші порівняно з чистими металами. Якщо розміщення атомів закономірне, твердий розчин називають впорядкованим. При впорядкованості зменшується електроопір, пластичність, збільшується твердість і міцність. Впорядковані тверді розчини зустрічаються у системах із значною або необмеженою розчинністю у твердому стані. Необмежена розчинність у твердому стані має місце у сплавах міді із золотом, міді з нікелем, германію з кремнієм.

Тверді розчини проникнення. Такі тверді розчини утворюються при сплавленні перехідних металів з неметалами, які мають малий атомний радіус – H, N, C, B. Прикладом твердих розчинів проникнення, які мають промислове значення, можуть бути розчини вуглецю в Fe_γ Fe_α. Викривлення решітки розчинника при цьому значно більше, ніж у твердих розчинах заміщення. У зв'язку з цим більш різко змінюються властивості. При збільшенні кількості розчиненого елемента в твердих розчинах проникнення помітно збільшується електроопір, коерцитивна сила, твердість, міцність, але помітно знижується пластичність, в'язкість.

У сплавах, які складаються більш ніж з двох компонентів, можлива розчинність в одному розчинникові шляхом заміщення і проникнення. Наприклад, при сплавленні заліза з марганцем і вуглецем виникає твердий розчин, в якому марганець розчиняється шляхом заміщення, а вуглець – шляхом проникнення.

Також тверді розчини можуть виникати і на базі хімічних сполук. У цьому випадку зберігаються решітка хімічної сполуки А_nВ_m, але надлишкова кількість атомів, наприклад, В, розчиняється, заміщуючи у гратках певну кількість атомів А. Можлива також розчинність і третього елемента С у хімічній сполуці.

Тверді розчини становлять основу більшості промислових конструкційних сплавів і сплавів спеціального призначення. Слід підкреслити то, що тверді розчини – це кристали, найбільш близькі за властивостями до розчинника, бо зберігають його решітку і тип зв'язку. Наприклад, тверді розчини на базі металів відрізняються високою технологічною пластичністю; добре деформуються у гарячому стані, а багато з них – у холодному.

Проміжні фази. Кристали, які утворюються різними елементами і мають особливий стан кристалічних решіток, відмінних від решіток цих елементів, називають проміжними фазами.