Металловедение

11

Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов,

то появляется анизотропия.

§ 4. Кристаллизация металлов

При переходе металла из жидкого состояния в твердое происходит так называемый процесс кристаллизации.

Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах - металловедения Д. К. Черновым, который установил, что кристалли-

зация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов

(зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров

(рис. 5).

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы

растут свободно, сохраняя правильную гео-

метрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а толь-

ко некоторые грани кристаллов. В результате кри-

сталлы не имеют правильной геометрической

12

формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зе-

рен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристалли-

зации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла,

тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис. 6). Это подтверждается на практике - в тонких сечениях литых де-

талей, охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелко-

зернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медлен-

нее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.

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 модифициро-

вания.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столк-

новений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный харак-

тер.Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей про-

исходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их разви-

тие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наи-

большую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние). В

этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла - так назы-

ваемые оси первого порядка (1 на рис. 7).

В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начи-

нают расти новые оси, которые называются осями второе порядка (2), от осей второго порядка растут оси третьего порядка (3) и т. А.

13

По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (четвер-

того, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки,

ранее занятые жидким металлом.

В условиях, при которых не хватает жид-

кого металла для за-

полнения пространства между осями, например при затвердевании по-

следних объемов слитка,

дендритное строение вы-

является весьма отчетли-

во (рис. 7).

§ 5. Построение кривых охлаждения

Для определения температуры кристаллизации металла применяют тер-

мический метод, заключающийся в следующем: в тигель 1 (рис. 8) с расплав-

ленным металлом погружают термопару 2; термопара представляет собой две проволоки из различных металлов (или спла-

вов), сваренные с одного конца; свободные концы проволок присоединены к гальваномет-

ру 3; при нагреве сваренных концов проволоки в них возникает термоэлектродвижущая сила,

что приводит к отклонению стрелки гальвано-

метра; чем выше температура спая проволок,

тем больше отклонение стрелки гальванометра; для измерения температуры на гальванометре имеется температурная шкала 4.

14

Если температуру, измеряемую таким методом, регистрировать через оп-

ределенные промежутки времени, то теоретически

для чистого металла, охлаждающегося очень медленно, кривая охлажде-

ния в координатах «температура - время» имеет вид, показанный на рис. 9, а.

Проследим ход процесса кристаллизации металла по кривой охлаждения.

Сначала, когда металл находится в жидком состоянии, температура по-

нижается равномерно до точки А. Затем понижение температуры прекращается и на кривой охлаждения получается горизонтальный участок. Хотя тигель с ме-

таллом и охлаждается окружающим воздухом, но отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации (затвердевания) металла.

По времени кристаллизация продолжается от точки А до точки Б. К мо-

менту, соответствующему точке Б, кристаллизация заканчивается, весь металл переходит из жидкого со-

стояния в твердое и после этого температура вновь понижается равномерно. Температура - теоретиче-

ская температура кристаллизации. В реальных усло-

виях затвердевание не может происходить при этой температуре, так как свободная энергия жидкого со-

стояния равна свободной энергии твердого состояния (рис. 10). Металл, охла-

дившись до Ts, еще не кристаллизуется, а остается некоторое время жидким, В

это время металл переохлаждается до температуры Tn (рис. 9, б и 10). Только при этой температуре начинается процесс кристаллизации. Разность тем-

15

ператур Ts - Тn называется степенью переохлаждения T. Чем больше скорость охлаждения, тем больше и степень переохлаждения у данного металла (см. рис. 9, б).

В отличие от кривой охлаждения кристаллического тела (металла) кривая охлаждения аморфного тела (рис. 9, в) на всем протяжении идет плавно, что указывает на постепенное его отвердевание вследствие уменьшения подвижно-

сти частиц. По своей структуре кажущееся твердым аморфное тело является переохлажденной жидкостью.

§ 6. Аллотропия (полиморфизм) металлов

Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следователь-

но, и свойства при различных температурах.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α, бета β, гамма ,

дельта и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Все самопроизвольные процессы в природе развиваются в направлении состояния с наименьшим запасом энергии. Такой характеристикой для веществ является свободная энергия - составляющая полной энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении температуры, аллотропиче-

ских превращениях и изменениях состояния (плавлении, затвердевании и дру-

гих процессах). Величина свободной энергии уменьшается с повышением тем-

пературы.

В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теплота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлажде-

ния аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Ал-

16

лотропические превращения имеют многие металлы, например железо, марга-

нец, олово, титан и др.

На рис. 11 приведена кривая охлаждения железа, характеризующая алло-

тропические превращения. Железо имеет объ-

емно-центрированную кубическую решетку до температуры 911 °С и в интервале 13921539

°С (Feα), а от температуры 911 до 1392 °С име-

ет гранецентрированную кубическую решетку

(Fe ). Высокотемпературная α-модификация

(от 1392 до 1539 °С) иногда обозначается Fe ( -же-лезо). При температуре 768 °С происхо-

дит изменение магнитных свойств: ниже 768 °С железо магнитно, выше 768 °С железо не-

магнитно.

Характерным примером является аллотропия олова. При температуре ниже 18° С устойчива модификация α-олова (Snα), называемая серым оловом, а

выше 18° С - модификация β-олова (Snβ), называемая белым оловом.

Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и превращение

Snβ → Snα идет со значительным увеличением объема. Поэтому при образова-

нии на белом олове бугорка серого олова последнее, вследствие больших объ-

емных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название

«оловянной чумы»; превращение необратимо.

Максимального значения скорость аллотропического превращения Snβ →

Snα достигает при переохлаждении примерно до температуры -30° С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хранении олова в зимнее время в холодном помещении.

18

плоскости. Поверхность образца (детали) шлифуют и подвергают травлению кислотами или специальными реактивами, что позволяет выявить, например,

дефекты, нарушающие сплошность металла (пузыри, трещины, раковины и др.), неоднородность строения, созданную обработкой давлением (полосча-

тость), строение литого металла, сварного соединения (рис. 12, б) и др.

б) Микроскопический анализ Микроскопический анализ (микроанализ) применяют для определения

формы и размеров зерен, из которых состоит металл или сплав; обнаружения изменений внутреннего строения сплава, происходящих под влиянием различ-

ных режимов обработки; выявления микропороков металла - микротрещин, ра-

ковин и т.п.; обнаружения неметаллических включений - сульфидов, оксидов и др.

Подготовленная для исследования под микроскопом поверхность образца называется микрошлифом.

Для микроанализа из исследуемого материала вырезают образец поверх-

ность его подвергают шлифованию, полированию, травлению и затем рассмат-

ривают в металлографический микроскоп.

Шлифование поверхности вручную или на специальных шлифовальных станках начинают на шкурке с наиболее крупным абразивным зерном, затем постепенно переходят к шлифованию на шкурке с более мелким абразивным зерном, после чего поверхность образца полируют.

Полирование проводят на специальном полировальном станке на вра-

щающемся круге, обтянутом сукном,

смачиваемым полировальной жид-

костью - водой со взвешенными в ней частицами окиси хрома или алюминия. Обрабатываемая поверх-

ность образца получается блестяще

19

зеркальной. Но полученная поверхность не позволяет судить о строении метал-

ла (сплава); только неметаллические включения и микродефекты выявляются на светлом фоне полированной поверхности образца.

Для выявления микроструктуры полированную поверхность образца под-

вергают травлению, т. е. действию растворов кислот, щелочей, солей. Различ-

ные составляющие структуры растворяются с различной скоростью и поэтому одни вытравляются больше, а другие - меньше. При освещении микрошлифа на микроскопе лучи света по-разному отражаются от различно протравившихся структурных составляющих. Места, протравленные сильнее, больше рассеива-

ют отраженные лучи, поэтому в объективе микроскопа они получаются более темными.

На рис. 13 показано, что вследствие более сильного травления границ зе-

рен лучи, падающие на эти места, отражаются в стороны, не попадают в объек-

тив микроскопа и поэтому границы зерен кажутся темными. Для исследования структуры металлов и сплавов применяют микроскопы отраженного света, на-

зываемые металлографическими.

Оптическая схема металлографического микроскопа показана на рис. 14.

Лучи от осветителя (электрической лампочки) 1, преломляясь призмой 2, про-

ходят через объектив 3, отражаются от микрошлифа 4, вновь проходят через

20

объектив 3, преломляются призмой 5 и через окулятор 6 попадают в глаз на-

блюдателя. Увеличение микроскопа равно произведению увеличений объек-

тива и окуляра. Микроскопы дают увеличение до 15002000 раз.

Гораздо большее увеличение - до 200 000 раз дает электронный микро-

скоп (рис. 15), работающий по схеме проходящих электронных лучей. Вместо стеклянных линз в электронном микроскопе установлены электромагнитные линзы, преломляющие электронные лучи. Источником электронов служит рас-

каленная вольфрамовая нить. Электронный микроскоп предназначен для иссле-

дования объектов в проходящих электронных лучах, поэтому предмет исследо-

вания должен быть очень тонким. При исследовании обычных металлографи-

ческих образцов с помощью электронного микроскопа широко используется метод реплик (оксидных, лаковых, кварцевых, угольных), воспроизводящих рельеф поверхности микрошлифа и пропускающих электрон-лучи.

Реплики приготовляют одноступенчатыми (получение реплики непосред-

ственно на микрошлифе) и двухступенчатыми способами (получение реплики,

копирующей рельеф поверхности реплики, полученной одноступенчатым спо-

собом). Широко распространен метод углеродных реплик, обладающий боль-

шей точностью по сравнению с другими репликами.

Универсальным является двухступенчатый способ серебряно-углеродных реплик, схема которого приведена на рис. 16.

На микрошлиф (рис. 16, а) наносят слой се-

ребра (рис. 16, б), который затем механическим способом отделяют от микрошлифа и на контакт-

ной стороне серебряного отпечатка создают уг-

леродную пленку (рис. 16, в). Для отделения углеродной пленки от серебра его растворяют в азотной кислоте и получают угольную реплику (рис. 16, г), кото-

рую промывают в кипящей воде и для увеличения контрастности изображения оттеняют хромом (рис. 16, д).