СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кри­сталлы, получившие название дендритов. При образо­вании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном к плоскостям е максимальной плотностью упа­ковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка (I — главные оси дендрита). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендику­лярные к ним такие же ветви второго порядка (II). В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего по­рядка (III) и т. д. В конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов.

Дендритное строение выявляется после специального трав­ления шлифов, поскольку все промежутки между ветвями ден­дритов заполнены и видны обычно только места стыков дендритов в виде границ зерен. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних ста­диях процесса (рис. 26). Дендритное строение характерно для макро- и микроструктуры литого металла (сплава).

При затвердевании слитка кристаллизация начинается у по­верхности более холодной формы и происходит вначале преиму­щественно в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлажденной жидкости. Вследствие большой скорости ох­лаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны I сравнительно мелких равноосных кристал­литов.

За зоной I в глубь слитка расположена зона II удлиненных дендритных

Рис. 25. Схема дендритного кристалла (а) и роста дендритов (б)

кристаллитов (зона транскристаллизации). Рост этих кристаллитов происхо­дит в направлении от­вода теплоты, т. е. нор­мально к стенкам изло­жницы. Последователь­ный рост дендритов к стенкам изложницы про­исходит в результате продвижения в глубь расплава ветвей первого порядка и их разветвле­ния аналогично тому, как это было описано выше.

В случае сильного перегрева металла, или быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка. При низкой температуре литья, медленном охлаждении, например, крупных отливок создаются условия для возникновения зародышей кристал­лов в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутрен­ней части отливки структурной зоны III, состоящей из равноос­ных различно ориентированных дендритных кристаллитов. Тугоплавкие частицы, находящиеся в жидком металле, способствуют развитию зоны мелких равноосных кристаллитов. Зона столбчатых кристаллов обладает высокой плотностью, так как она имеет мало газовых пузырей и раковин. Однако в участ­ках стыка столбчатых кристаллитов, особенно растущих от раз­ных поверхностей, металл имеет пониженную плотность, и при последующей обработке давлением (ковке, прокатке и т. д.) в этих участках могут возникнуть трещины; поэтому для малопластич­ных металлов, в том числе и для стали, развитие столбчатых кри­сталлитов нежелательно. Наоборот, для получения более плот­ного слитка у пластичных металлов (например, меди и ее сплавов) желательно распространение зоны столбчатых кристаллитов по всему объему слитка; вследствие высокой пластичности таких сплавов исключается разрушение слитка при обработке давле­нием. При фасонном литье стремятся получить мелкозернистую равноосную структуру.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый; поэтому в той части слитка, которая застывает в последнюю оче­редь, образуется пустота — усадочная раковина. Усадочная ра­ковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла, в котором после затвердевания образуются микро- и макропоры и пузыри.

ПОЛИМОРФНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их назы­вают, в разных полиморфных модификациях. В результате поли­морфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что обра­зуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой а, a при более высокой — b, затем g и т. д.

Полиморфное превращение протекает вследствие того, что образование новой модификации сопровождается уменьшением энергии Гиббса. В условиях равновесия полиморфное превра­щение протекает при постоянной температуре (критическая точка) и сопровождается выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, или поглощением теплоты в случае нагрева.

Как и при кристаллизации из жидкой фазы, чтобы полиморф­ное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры для возник­новения разности энергий Гиббса между исходной и образую­щейся новой модификациями. В твердом металле в отличие от жидкого возможно достижение очень больших степеней переох­лаждения. Полиморфное превращение по своему механизму — кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образова­ния зародышей и последующего их роста.

В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, по­этому такое превращение также называют перекристаллизацией. Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным из­менением всех свойств металлов или сплавов: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электрической проводимости, магнитных свойств, механических и химических свойств и т. д.

ФАЗЫИ СТРУКТУРА

В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в ре­шетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и пред­ставляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис а) и твердые растворы внедрения (рис. б). При образовании твердого раст­вора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

При образовании твердого раствора внедрения (рис. б) атомы растворенного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства. Например в

плотноупакованной ГЦК решетке наиболее подходящей бу­дет октаэдрическая пора (центры шести атомов — шаров, между которыми образовалась по­ра, расположены по верши­нам октаэдра) (рис. а)

а- кристаллическая решетка твердого раствора замещения;

б- кристаллическая решетка твердого раствора внедрения.

Рис. Искажения кристаллической решетки растворителя при образовании твердого раствора внедрения (а, атом В) и замещения (б, атом D) и расположе­ния атомов внедрения и замещения в области дислокации (в, г)

всегда искажается и периоды ее изменяются.

При образовании твердого раствора замещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента. В случае твердого раствора внедрения период решетки раство­рителя всегда возрастает.

Атомы растворенного компонента нередко скапливаются у дис­локаций (рис. в, г) снижая их упругую энергию. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атомами ме­талла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров — в растянутой зоне решетки. При образова­нии твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента располагаются в растянутой области под краем экстраплоскости (рис. г). В области дислокаций чужеродные атомы легче раз­мещаются, чем в совершенной области решетки, где такие атомы вызывают значительные искажения решетки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер сопровождается уменьшением искажения решетки, что предопределяет их устойчивость.

Все металлы могут в той или иной степени взаимно раство­ряться друг в друге в твердом состоянии. Например, в алюми­нии может растворяться до 5,5 % Си, а в меди 39 % Zn без изме­нения типа их кристаллической решетки. В тех случаях, когда компоненты могут замещать друг друга в кристаллических решет­ках в любых количественных соотношениях, образуется непре­рывный ряд твердых растворов.

Твердые растворы замещения с неограниченной раствори­мостью могут образоваться при соблюдении условий, приведен­ных ниже.

В металловедении принято обозначать чистые компоненты — большими буквами латинского алфавита А, В, С, твердые растворы — малыми буквами греческого алфавита а, b, c и т. д., а упорядоченные твердые растворы теми же буквами со штрихом а’, b’, c’.

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изо­
морфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае
при изменении концентрации твердого раствора будет возможен
непрерывный переход от кристаллической решетки одного компо­
нента к решетке другого компонента.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть
незначительным и не превышать 8—15 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе
периодической системы элементов или к смежным родственным
группам и в связи с этим иметь близкое строение валентной обо-
лочки электронов в атомах.

4.