Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Ещё в 1878 г. Д.К.Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождения мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов назвал «зачатками», а теперь их называют зародышами или центрами кристаллизации; 2) роста кристаллов из этих центров.

При равновесной температуре затвердевания, равной температуре плавления металла, равновероятно существование и жидкого, и твердого состояния, поэтому, чтобы началась кристаллизация, требуется некоторое переохлаждение. Степень переохлаждения ΔT = Т_пл – Т_кр. При температурах, близких к Т_кр, в жидком металле из-за флуктуации плотности образуются небольшие группировки, в которых атомы упакованы так же, как в твёрдых кристаллах. Из части таких группировок образуются центры кристаллизации (ц.к.). С увеличением ΔТ возрастает число ц.к., образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся ц.к. начинают расти кристаллы, и продолжается образование новых ц.к. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых ц.к., так и за счёт роста существующих.

Получившиеся при затвердевании сросшиеся кристаллы с неправильной внешней огранкой называются зёрнами или кристаллитами.

Суммарная скорость кристаллизации определяется скоростью зарождения ц.к.(СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР). Величины СЗ и СР зависят от ΔТ. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны 0, и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело. Графически это выглядит так:

СР

СЗ

СР СЗ

Тпл ΔТ

Если раньше аморфное состояние достигалось лишь для неметаллических веществ, то в настоящее время, с использованием специальных приёмов, достигается высокая скорость охлаждения (более 10⁶ град/с), и можно получать металлы в стеклообразном (аморфном) состоянии с особыми физико-механическими свойствами.

Рассмотренный выше спонтанный процесс кристаллизации требует значительных степеней переохлаждения, особенно для чистых металлов и встречается редко.

В реальных условиях образование ц.к. облегчается присутствием в расплаве твердых частиц различных примесей, неметаллических включений, стенок сосуда и т.д. Они служат подложкой, облегчающей образование зародышей.

Использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна называется модифицированием. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава (ввиду незначительных количеств), вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. При введении в магниевые сплавы магнезита (MgCO₃) зерно уменьшается более, чем в 10 раз: от 0,2-0,3мм до 0,01-0,02мм. Модификаторами для алюминиевых сплавов являются Ti, V, Zr, для стали – Al, V, Ti, для чугуна – Mg.

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начинается от стенок формы в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно к стенке. При этом образуются оси І порядка, потом ІІ, затем ІІІ порядка и т.д. В результате получается разветвленный древовидный кристалл, называемый дендрит.