Читайте также: |
|
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. В 1878 г. великий русский ученый Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, установил, что процесс кристаллизации следует разделять на две стадии: зарождение первичных зародышей кристаллов (центров кристаллизации) и рост кристаллов из этих центров (рис. 1).
Схема роста кристаллов показана на рис. 2. Кристалл растет в направлении, противоположном отводу тепла. Сначала образуется главная ось кристалла 1, затем на главной оси образуются оси первого порядка 2, на них – оси второго порядка 3, на них – оси следующего порядка и т. д., пока в этом объеме есть жидкий металл.
Рис. 1. Схема процесса кристаллизации
(□ – центры кристаллизации)
Атомы жидкости пристраиваются к атомам кристаллов, создавая их форму и обеспечивая их рост. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму до момента их соприкосновения. В месте соприкосновения кристаллов рост их отдельных осей и граней прекращается. В результате к окончанию процесса кристаллизации кристаллы не имеют правильной геометрической формы, но сохраняют свое древовидное строение. Кристаллы древовидной формы называются дендритами (см. рис. 2).
по Чернову; б – схема кристаллизации слитка; дендриты: Чернова (в),
на поверхности сурьмы (г) и алюминия (д)
Дендритное строение – признак литого состояния металла (слиток, отливка). При значительной пластической деформации литого металла форма и размеры кристаллов изменяются – дендриты дробятся, из них образуются новые кристаллы неопределенной формы, называемые зернами (рис. 3). Зернистое строение – признак деформированного металла (прокат, поковки, штампованные полуфабрикаты).
а б
Рис. 3. Микроструктура доэвтектоидной стали:
а – крупнозернистая; б – мелкозернистая
Размер кристаллов металла во многом определяет его прочностные свойства: чем мельче кристаллы, тем выше сопротивление металла ударным и циклическим нагрузкам. Итак, в процессе кристаллизации два фактора определяют строение металла: число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов из этих центров.
Проследим за изменением температуры металла при охлаждении жидкости через равные промежутки времени (рис. 4). Сначала температура жидкого металла понижается равномерно в зависимости от скорости охлаждения V 1, V 2, V 3. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок (площадка). В это время отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации и металл переходит в твердое состояние (образуются и растут кристаллы). После окончания кристаллизации температура вновь равномерно понижается, металл охлаждается в твердом состоянии.
При теоретической температуре кристаллизации (температуре плавления) жидкий металл и твердые кристаллы могут существовать одновременно и бесконечно долго. Следовательно, кристаллизация может происходить только при определенном переохлаждении металла ниже теоретической (равновесной) температуры. Разность между теоретическим и фактическим значениями температуры кристаллизации металла называется степенью переохлаждения:
D Т = Т пл – Т к, (1)
где Т пл – теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (плавления) металла;
Т к – фактическая температура кристаллизации данного металла.
Степень переохлаждения металла зависит от скорости охлаждения V 1, V 2, V 3 (см. рис. 4).
Скорости охлаждения V 1 соответствует малая степень переохлаждения D Т 1. Охлаждение расплава со скоростью V 2 вызывает увеличение степени переохлаждения D Т 2, а большая скорость охлаждения V 3 приведет к увеличению степени переохлаждения D Т 3, и кристаллизация будет происходить при более низкой температуре. В итоге это скажется на факторах процесса кристаллизации:
V охл ®D Т ® ЧЦК – СРК, (2)
где ЧЦК – число центров кристаллизации;
СРК – скорость роста кристаллов из этих центров.
Однако не всегда имеется возможность регулировать скорость охлаждения жидкого металла. Методом получения мелких кристаллов при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного регулирования количества и размеров кристаллов называется модифицированием.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 78 | Нарушение авторских прав