Кристаллизация металлов

Анизотропия. Аллотропия (полиморфизм)

В отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях.

Если взять большой кристалл ( существуют методы выращивания крупных кристаллов), вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов и испытать их свойства, можно иногда наблюдать значительную разницу в свойствах отдельных образцов. Например, при испытании различных образцов из кри­сталла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55 %, а предел прочности -от 140 до 350 МПа. Это свойство кристаллов называют анизотропностью.

Анизотропность кристаллов определяется характером расположения атомов в кристаллической ре­шетке.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов. Аллотропия металлов (или полиморфизм)-свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения - присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.). Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной тем­пературе (например, одно из превращений железа происходит при температуре 911^о С, ниже которой! атомы составляют решетку цен­трированного куба, а выше — решетку гранецентрированного куба).

Структура, имеющая ту или иную решетку, называется алло­тропической формой или модификацией. Различные модификации обозначают греческими буквами α, β, γ и т. д., причем буквой α обозначают модификацию, существующую при температурах ниже первого аллотропического превращения. Аллотропические превра­щения сопровождаются отдачей (уменьшением) или поглощением (увеличением) энергии.

Кристаллизацией называется образо­вание кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Пространственные кри­сталлические решетки образуются в металле при пере­ходе его из жидкого состояния в твердое. Этот процесс на­зывается кристаллизацией. Превращения, связанные с кристаллизацией, в значительной степени определяют свойства металлов. Впервые процессы кристаллизации были изучены в 1878 г. Д. К. Черновым. Сущность крис­таллизации состоит в следующем: в жидком металле ато­мы непрерывно движутся, по мере понижения темпера­туры движение замедляется, атомы сближаются и груп­пируются в кристаллы, которые называют центрами кри­сталлизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно появляются но­вые центры. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и ро­ста кристаллов вокруг этих центров.

Рис.3

На рис. 3 показан механизм кристаллизации. Первона­чально рост кристаллов не встречает препятствий (рис. 3, а - в) и они сохраняют правильность строения решетки. При дальнейшем росте кристаллы сталкиваются (рис. 3, г - е) и образовавшиеся группы кристаллы имеют уже непра­вильную форму, но сохраняют правильность решетки внутри каждого кристалла. Такие кристаллы называют зернами или кристаллитами На рис. 3, е приведены границы зерен различных размеров.

Процесс кристаллизации металла представляют в виде кривых в координатах температура - время, которые автоматически вычер­чиваются самописцем, связанным с термоэлектрическим пирометром. Пирометр представляет собой милливольтметр 2 (рис. 4), подклю­ченный к термопаре. Термопару 3 (две разнородные проволоки, спа­янные концами) погружают в расплавленный металл 4. Возника­ющий при этом термоток пропорционален температуре металла, стрелка милливольтметра отклоняется, указывая эту температуру по шкале 1. Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.

Рис.4