- •Введение
- •1. Основы металловедения
- •1.1. Кристаллические решетки металлов
- •1.2. Реальное строение металлических кристаллов
- •1.3. Анизотропия кристаллов
- •1.4. Кристаллизация металлов
- •1.5. Аллотропия (полиморфизм) металлов
- •1.6. Основы теории сплавов
- •1.6.1. Кристаллическое строение сплавов
- •1.6.2. Особенности кристаллизации сплавов
- •1.6.3. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •1.6.4. Свойства металлов и сплавов
- •1.7. Железо и его сплавы
- •1.7.1. Фазы в железоуглеродистых сплавах
- •1.7.2. Диаграмма состояния железо — цементит
- •1.7.3. Применение диаграммы Fe—Fe3c
- •1.7.4. Основные виды термической обработки стали
- •1.7.5. Классификация углеродистых сталей
- •1.7.6. Стали обыкновенного качества
- •1.7.7. Углеродистые качественные стали
- •1.7.8. Автоматные стали
- •1.7.9. Углеродистые инструментальные стали
- •1.7.10. Легированные стали
- •1.7.11. Классификация легированных сталей
- •1.7.12. Маркировка легированных сталей
- •1.7.13. Чугуны
- •1.8. Цветные металлы и сплавы
- •2.2. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости
- •3. Материалы с особыми физическими свойствами
- •3.1. Материалы с особыми магнитными свойствами
- •3.1.1. Общие сведения о ферромагнетиках
- •3.1.2. Магнитно-мягкие материалы
- •3.1.3. Магнитно-твердые материалы
- •4. Полупроводниковые материалы
- •5. Диэлектрики
- •6. Проводниковые материалы
- •6.1. Электропроводность твердых тел
- •6.2. Металлы высокой проводимости
- •6.3. Припои
- •6.4. Сверхпроводники
- •6.5. Сплавы повышенного электросопротивления
- •Рассмотрим характеристики некоторых сплавов повышенного электросопротивления.
- •6.6. Контактные материалы
- •7. Неметаллические материалы
- •7.1. Пластмассы
- •7.1.1. Классификация пластмасс
- •7.1.2. Термопластичные пластмассы
- •7.1.3. Полярные термопласты
- •7.1.4. Термореактивные пластмассы
- •7.1.5. Пластмассы с порошковыми наполнителями
- •7.1.6. Газонаполненные пластмассы
- •7.2. Резины
- •7.3. Клеи
- •7.4. Неорганическое стекло
- •7.5. Ситаллы (стеклокристаллические материалы)
- •7.6. Керамические материалы
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.4. Кристаллизация металлов
В жидком металле атомы находятся в состоянии непрерывного движения и в их расположении нет такого порядка, как в твердом металле.
При переходе металла из жидкого состояния в твердое происходит так называемый процесс кристаллизации.
Кристаллизация состоит из двух процессов:
зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 4).
Рост кристаллов заключается в том, что к зародышам присоединяются все новые атомы из жидкого металла. В начале кристаллизации 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. Обычно говорят, что металл имеет мелкозернистое или крупнозернистое строение.
Рис. 4. Последовательные этапы процесса
кристаллизации
Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов будет образовываться в данном объеме и каждый кристалл (зерно) будет меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации и зёрна получаются мельче. Это подтверждается на практике - в тонких сечениях литых изделий, охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых изделиях, охлаждающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.
Наиболее прогрессивным методом получения мелкого зерна при затвердевании металла является создание искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами, в связи с чем и сам процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название модифицирования,
Форма растущих кристаллов определяется составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов 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, в которых скорость теплоотвода максимальна. В этих направлениях образуется как бы ствол будущего кристалла — так называемая ось (или ветвь) первого порядка. На рис. 5 показан рост его, который происходит путем кристаллизации на нем все новых и новых атомных слоев из жидкости.
Рис. 5. Схема дендрита
В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называются осями второго порядка; от ветвей второго порядка растут ветви третьего порядка и т. д.
По мере кристаллизации образуются ветви более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.
Дендритный механизм кристаллизации определяется более высокой теплопроводностью твердого металла (осей дендрита) по сравнению с жидким расплавом. В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например при затвердевании последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо.