Исследование кристаллизации металлов
Цель работы:
1. Изучить особенности процесса кристаллизации и формирования различных зон в слитках металлов, а также влияние степени перегрева и переохлаждения на микроструктуру металла.
2. Изучить структуру частиц различных металлов.
Материалы и оборудование:
1. Микроскоп Биомед-1.
2. Частицы металлов: меди, алюминия, железа.
Краткие теоретические сведения
Кристаллизацией называется процесс перехода металла из жидкого или газообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.
Кристаллизация определяется двумя одновременно идущими процессами - зарождением и ростом кристаллов. Скорость кристаллизации будет тем выше, чем больше скорость зарождения и роста кристаллов.
Скорость зарождения центров кристаллизации определяется числом зародышей, возникающих в единице объема в единицу времени. Зародыши (центры) кристаллизации могут возникать в жидком металле или уже на имеющихся кристаллических образованиях.
Скорость роста кристаллов (центров) – это увеличение линейного размера растущего кристалла в единицу времени. Оба процесса, зарождение и рост кристаллов, связаны с диффузией атомов и зависят от температуры.
Рост зерен происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 1).
Рисунок 1. Схема дендрита
Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по плоскостям и направлениям с наибольшей плотностью упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называют осями первого порядка. По мере роста на осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка и т.д. После окончания кристаллизации дендриты превращаются в кристаллы (зерна).
Условия отвода тепла при кристаллизации влияют на форму зерен. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые (столбчатые) кристаллы. Если теплота отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные зерна.
Структура слитка зависит от многих факторов, главными из которых являются:
· температура металла перед кристаллизацией (степень перегрева);
· скорость охлаждения металла при кристаллизации (степень переохлаждения);
· состояние внутренней поверхности формы (изложницы);
· содержание примесей в жидком металле и на стенках изложницы.
Кристаллизация жидкого металла начинается у стенок формы (изложницы). В результате трения металла о стенки формы при заливке, а также большой степени переохлаждения расплава при соприкосновении его с холодной поверхностью формы у стенок возникает большое количество центров кристаллизации. Это приводит к образованию мелких равноосных дендритов, у которых оси первого порядка ориентированы беспорядочно т.к. растут перпендикулярно к отдельным участкам шероховатой поверхности формы. Зона мелких равноосных кристаллов очень тонкая и называется 1-ой зоной кристаллизации. Рост этой зоны быстро прекращается вследствие того, что выделяющаяся теплота кристаллизации повышает температуру жидкого металла у фронта кристаллизации. При дальнейшем охлаждении дендриты начинают расти по направлению к середине слитка. Происходит образование столбчатых дендритов. Эта зона называется 2-й зоной кристаллизации.
По мере развития столбчатых кристаллов скорость роста постепенно уменьшается; в середине слитка имеется небольшая степень переохлаждения и уже не ощущается влияния направленного отвода тепла. К этому моменту дендриты зарождаются во многих участках жидкости и растут беспорядочно во все стороны, что приводит к образованию крупных глобулярных кристаллов. Эту зону называют 3-й зоной кристаллизации.
Применяя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить какую-либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой (повышение температуры расплава) и быстрое охлаждение при кристаллизации (металлическая форма) приведут к преимущественному формированию зоны столбчатых кристаллов. Такая структура называется транскристаллической. Подобную структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются примеси, и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются при обработке давлением.
Понижение температуры металла пред разливкой, вибрации, введение нерастворимых примесей (модифицирование), продувка жидкого металла инертными газами приводит к уменьшению и даже исчезновению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков, состоящих из равноосных кристаллов.
Большое влияние на структуру слитка оказывает материал изложницы. При заливке жидкого металла в форму с низкой теплопроводностью (земляная, асбестовая, кварцевая или подогрев металлической формы) уменьшается степень переохлаждения и направленность теплоотвода. В этих условиях, когда критический размер зародыша увеличивается, а скорость образования зародышей мала, при затвердевании формируется крупнокристаллическая структура.
Слитки сплавов имеют неоднородный состав. В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Это связано с тем, что жидкий металл имеет больший объем, чем твердый. Под усадочной раковиной металл получается рыхлым, в нем содержится много усадочных пор.
Содержание различных компонентов, а также примесей в объеме слитка неодинаково.
В результате в донной части слитка концентрируются более тяжелые компоненты, а в головной более легкие.
Рисунок 2. Строение слитка