УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
А.А. Климов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Красноярск
КрИЖТ ИрГУПС
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
КРАСНОЯРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Филиал ГОУ ВПО
«Иркутский государственный университет путей сообщения»
А.А. Климов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Красноярск
КрИЖТ ИрГУПС
УДК 620.22
М 34
Рецензенты:
А.С. Тюриков, канд.техн.наук. доцент каф. «Подвижной состав железных дорг» КрИЖТ ИрГУПС,
Б.И. Ковальский д-р. техн. наук, профессор каф. «Топливообеспечение и ГСМ» института нефти и газа Сибирского федерального университета
УДК 620.22
М 34
Материаловедение: Конспект лекций./ А.А. Климов; КрИЖТ ИрГУПС.
- Красноярск: КрИЖТ ИрГУПС, 2012. – 166 с.
Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Материаловедение», включающего учебную программу, конспект лекций, лабораторный практикум, Методические указания к самостоятельной работе.
Конспект лекций по материаловедению составлен в соответствии с
типовой программой по материаловедению. Изложены основы теории кристаллического строения металлов, кристаллизации, сплавов. Подробно рассмотрены превращения в системе железо-углерод и основы теории термической обработки стали. Описаны технологические процессы термообработки стали и чугуна. Рассмотрены классификация, свойства, применение и маркировка сталей, чугунов, цветных металлов и их сплавов. Дан обзор новых и неметаллических материалов в технике.
Рекомендовано к печати методическим советом КрИЖТ ИрГУПС
Печатается в авторской редакции
@ Климов А.А., 2010.
@ Красноярский институт
железнодорожного транспорта, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................………………..........8
Лекция 1. Кристаллическое строение металлов...............................……… …...… 9
1.1. Понятие о металлах и их свойствах................................… ……...9
1.2. Основные методы исследования материалов……………………....10
1.3. Атомно-кристаллическое строение металлов..........……….……... 11
1.3.1. Три агрегатных состояния вещества...............….. …....…….... 11
1.3.2. Типы кристаллических решеток..........................….………......12
1.3.3. Размеры кристаллической решетки........................…..………..13
1.3.4. Анизотропия.................................................…..…….…………. 14
1.4. Реальное строение металлов............................………...……..…......14
Лекция 2. Кристаллизация металлов.................................….……..….................... 16
2.1. Энергетические условия процесса кристаллизации...…..…....... 16
2.2. Механизм процесса кристаллизации.........................……..…..... 19
2.3. Форма кристаллических образований........................………...... 19
2.4. Строение металлического слитка................................…..……….20
2.5. Аллотропия..........................................................…..……….……..21
2.6. Магнитные превращения.................................………...…….......23
Лекция 3. Теория сплавов....................................... …...............…………….... … 23
3.1. Строение металлических сплавов.........................................…….23
3.1.1. Основные понятия.............................................…………… 23
3.1.2. Взаимодействие компонентов............................ …………..24
3.2. Структура сплавов…………………………...................……..…..27
3.3. Диаграммы состояния сплавов…................ …………………….28
3.3.1. Понятия о диаграммах состояния………………………….28
3.3.2. Однокомпонентная система..........................……………...28
3.3.3. Двухкомпонентная система.......................…………............29
3.3.4. Трехкомпонентная система.............................……..……....30
3.4. Правило фаз.........................................................………….……...30
3.5. Построение диаграмм состояния.............................……………..31
3.6. Диаграмма состояния системы свинец-сурьма...............………. 32
Лекция 4. Диаграмма состояния системы железо-углерод.........…..........................37
4.1. Компоненты, фазы...............................................………………....37
4.2. Диаграмма железо-цементит..................................…….…….......39
4.2.1. Перитектическое превращение..........................…………...40
4.2.2. Эвтектическое превращение...........................…………...... 42
4.2.3. Эвтектоидное превращение..............................…...……….43
Лекция 5. Основы теории термической обработки стали.........……………….......46
5.1. Основные определения...............................................……………..46
5.2. Термическая обработка стали.................................…………….....48
5.3. Основные превращения в стали при термообработках....…….....49
5.3.1. Первое основное превращение при нагреве..........………...50
5.3.1.1. Закономерности роста зерен аустенита............…... 51
5.3.1.2. Влияние величины зерна аустенита на свойства
стали.............................................………………52
5.3..1.3. Изменения в структуре стали при нагреве,
не вызываемые фазовыми превращениями……………52
5.3.2. Превращения в стали при охлаждении…………………….53
5.3.2.1. Механизм превращения аустенита в феррито-
цементитную смесь (второе основное)...............………....53
5.3.2.2. Мартенситное превращение (третье основное)........59
5.3.2.3. Превращения при отпуске (четвертое основное)….62
Лекция 6. Технологические процессы термообработки стали.......………….........62
6.1. Нагрев стали под термическую обработку.............…………........63
6.2. Отжиг ……………….......................................………………........60
6.3. Закалка..........................................................…………………….....66
6.3.1.Выбор температуры закалки.......................……...………….67
6.3.2. Закалочные среды....................................…………………......67
6.3.3. Прокаливаемость....................................………………….......69
6.3.4. Способы закалки......................................………………….....69
6.3.5. Дефекты, возникающие при закалке.............……………......72
6.4. Отпуск стали…............................................…………………......73
Лекция 7. Технологические процессы термообработки чугуна.....…......................73
7.1. Термообработка чугуна..................................…………………......73
7.2. Классификация и технология термообработки чугуна………......74
7.2.1. Отжиг....................................................………………..……....74
7.2.2. Закалка и отпуск......................................…………………......76
Лекция 8. Поверхностное упрочнение.................................................………….......76
8.1. Виды поверхностного упрочнения.......................……………........76 8.2.Поверхностная закалка......................................………………….....77
8.3. Химико-термическая обработка стали...................……………......80
8.3.1. Цементация.............................................………………….......81
8.3.2. Азотирование..........................................…………………........83
8.3.3. Цианирование..........................................…………………...... 84
8.3.4. Диффузионная металлизация.......................……………….....84
8.4. Термомеханическая обработка............................……………….....86
Лекция 9. Углеродистые стали..........................................................…………….....86
9.1. Влияние постоянных примесей на свойства стали......…………....87
9.2. Классификация сталей..................................…....……………….....87
9.2.1. Сталь обыкновенного качества....................………………......87
9.2.2. Сталь специального назначения.................……………….......88
9.2.3. Сталь качественная...................................…………………..... 89
Лекция 10. Легированные стали.......................................................……………......90
10.1. Примеси в стали...............................................………………..........90
10.2. Легирующие элементы……………………………...………………91
10.2.1. Распределение легирующих элементов в стали...……….......91
10.3. Влияние легирующих элементов на основные
свойства стали...............................................………………………..91
10.3.1. Влияние элементов на полиморфизм железа...…...………....91
10.3.2. Влияние элементов на феррит.....................………...……….92
10.3.3. Влияние элементов на кинетику аустенитных
превращений........................................………………………..93
10.3.4. Влияние элементов на мартенситное превращение………...95
10.3.5. Влияние элементов на рост зерна аустенита..................……95
10.3.6. Влияние элементов на превращения при отпуске...……......95
Лекция 11. Классификация и применение легированной стали.....………............ 96
11.1. Классификация легированной стали............................…………....96
11.2. Обозначение, маркировка легированной стали..............………... 97
11.3. Характеристика и применение легированной стали......………....98
11.3.1. Инструментальные стали..........................................……......99
11. 3.2. Нержавеющие, коррозионно-стойкие стали........………....103
11.3.3. Жароупорные стали и сплавы.........................………….......103
11.3.4. Сплавы высокого электросопротивления.......………..........105
11.3.5. Сплавы с особыми тепловыми свойствами....………..........105
11.3.6. Магнитные сплавы......................................... ……………....106
11.3.7. Износостойкие стали.................................……………..........107
Лекция 12. Чугуны.......................................................................……………...........108
12.1. Классификация чугунов...................….………….........................109
12.2. Свойства чугунов..............................………………..................... 109
12.3. Процесс графитизации чугуна........…..........……………............ 110
12.4. Модифицирование чугуна........................…………...….......…... 112
12.5. Ковкий чугун.......................................................………………... 112
12.6. Марки чугунов...................................................……………….... 113
12.7. Влияние примесей на свойства чугунов.............…..……............113
12.8. Применение чугуна в транспортном машиностроении.......….. 114
Лекция 13. Цветные металлы и сплавы....................................................………... 115
13.1. Медь..............................................................……………………...115
13.1.1. Латуни.................................................…………………......115
13.1.2. Бронзы.....................................................…………………...117
13.2. Алюминий и его сплавы........................................……………... 119
13. 2.1. Деформируемые сплавы...................……………............... 119
13.2.3. Литейные сплавы.......................................….……………..121
13.3. Магний и его сплавы………………..............……………….........123
13.4. Подшипниковые сплавы.....................................………………...125
13.4.1. Основные требования к подшипниковым сплавам…….. 125
13.4.2. Баббиты......................................................…………….... 126
13. 4.3. Другие подшипниковые материалы..................……....... 126
Лекция 14. Обзор новых материалов и металлических сплавов.................….....127
14.1.Титан.............................................................……………......…....127
14. 1.1.Титановые сплавы................................……….…..…......128
14.2. Цинк ……………………………..................................................129
14.3. Кадмий.........................................……….………...…..............129
14.4. Порошковые сплавы................................................………….....130
14.5. Композиционные материалы………………………………..…131
14.5.1. Материалы с металлической матрицей………………...131
Лекция 15. Неметаллические материалы.................................................………....134
15.1. Назначение и классификация неметаллических материалов..134
15.2. Пластмассы............................... ……………………..............137
15.2.1. Классификация пластмасс..........................…………......137
15.2.2. Основные свойства пластмасс..........…………............... 138
15.2.3. Выбор и применение пластмасс.............…………….......138
15.2.4. Основные методы изготовления изделий из
наиболее распространенных пластмасс.........…………........ 143
15.3. Резиновые материалы...................………………........................144
15.3.1. Классификация резиновых материалов....………...…......144
15.3.2. Характеристика и свойства резиновых материалов, их
применение.........………………….......……….. 147
15.4. Лакокрасочные материалы.....................……………............... 152
15.3.3. Классификация лакокрасочных материалов, их
маркировка.......................……………….....................…...152
15.3.4. Подготовка поверхности под окраску......……....….......154
15.3.5. Нанесение лакокрасочных покрытий...…….……..........154
15.3.6. Сушка лакокрасочных покрытий...........…….…..........155
15.5.Клеящие материалы..........................………………....................156
15.5.1. Классификация клеящих материалов...........…............. 156
15.5.2. Свойства клеящих материалов.......................……….....157
15.5.3. Технологический процесс склеивания, испытания на прочность..................…….....…….....................157
Лекция 16. Коррозия металлов и сплавов.........................................………........159
16.1. Химическая коррозия.................................……………….....159
16.2. Электрохимическая коррозия...........................…………….... 160
16.3. Способы предотвращения коррозии...................…………......161
Список использованных литературных источников...............……..... 162
ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение это наука, занимающаяся изучением строения материалов, и влияния строения материалов на их свойства.
Последние десятилетия характеризуются высоким темпом разработки и
внедрения новых материалов, призванных обеспечить решение сложнейших
научно- технических проблем. Именно материалы стали ключевым звеном,
определяющим успех инженерных решений в различных отраслях техники.
Это обстоятельство привело к интенсивному развитию науки
материаловедения, подкрепленному результатами фундаментальных
исследований в области физики твердого тела и достижениями новых
методов анализа.
Все технические изделия изготавливают из определенных материалов.
Для каждого из этих изделий требуется свой материал с определенными,
специфическими для данного изделия характеристиками.
Все материалы можно условно разделить на несколько групп (рис. 1).
Рис.1. Условное разделение материалов.
В настоящее время материаловедение и смежные с ней науки содержат
глубокие знания о строении неметаллов, металлов и сплавов, методах их обработки.
Современный инженерный работник должен обладать достаточными
знаниями для оптимального выбора материалов в каждом конкретном случае, принимая во внимание наличие материала, требования технологии
обработки, условия эксплуатации и фактор экономической эффективности.
ЛЕКЦИЯ 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
1.1. Понятие о металлах и их свойствах
Более половины известных в настоящее время элементов - это металлы.
Металлы - это твердые (за исключением ртути) вещества, обладающие
характерным металлическим блеском.
Металлы в твердом, а некоторые в жидком состоянии имеют высокую
теплопроводность, положительный коэффициент электросопротивления. С
повышением температуры электросопротивление чистых металлов
возрастает, большое число металлов обладает сверхпроводимостью (у этих
металлов при охлаждении до температуры абсолютного нуля
электросопротивление резко падает). Кроме того, все металлы обладают
термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при
нагреве, хорошей отражательной способностью и способностью к
пластической деформации.
Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество,
состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно
заряженными частицами - электронами, слабо связанными с ядром. Эти
электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не
одному какому-то ядру, а всему куску металла. Легкое перемещение этих
электронов внутри металла и малая их связь с атомами обуславливают
наличие у металлов определенных металлических свойств (включая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и т.д.).
Свойства материалов могут быть подразделены на три наиболее общих
класса: механические, тепловые и электрические. Под механическими
свойствами имеют в виду те свойства, которые обнаруживает материал при
воздействии на него внешних механических нагрузок. Тепловые свойства связаны с внутренней энергией, определяющей движение атомов и электронов. Тепловая энергия может влиять и на механические свойства материалов. Электрические свойства обусловлены движением электронов и смещением зарядов.
Механические свойства выявляются испытаниями, в результате которых определяются количественные характеристики этих свойств, которые используются как в процессе конструирования машин и механизмов, так и для контроля прочностного состояния механизмов в процессе эксплуатации.
В результате механических испытаний материалов определяют прочность (на разрыв, на изгиб, на сжатие и т.д.), упругость, твердость, усталость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, трещиностойкость и др.
Дадим краткие определения основным механическим свойствам.
- Прочностью материала называется его способность сопротивляться
действию внешних сил (разрывающих, изгибающих, сжимающих), не разрушаясь.
- Твердостью называется способность тела противостоять
проникновению в него другого, более твердого тела.
- Упругость - свойство материала восстанавливать свою форму после
прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы
(деформацию).
- Вязкостью называется способность материала оказывать сопротивление
быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость - свойство
обратное хрупкости.
- Пластичностью называется свойство материала деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность - свойство обратное упругости.
1.2. Основные методы исследования материалов
В материаловедении используют разнообразные методы исследования и
испытаний, необходимых для получения полной и надежной информации о
свойствах материалов. Эти методы можно распределить на две группы:
1. Методы, с помощью которых определяют строение и превращения,
протекающие в материалах:
а) методы непосредственного наблюдения, которые называются
структурными:
- макроанализ,
- микроанализ,
- рентгеновский;
б) методы, основанные на существовании связи между строением и
свойствами материалов, они позволяют косвенно, но достаточно
надежно судить о превращениях, протекающих в материалах при их
обработке по изменению:
физических свойств:
- термический анализ (теплосодержания),
-дилатометрический анализ (изменение коэффициента
теплового расширения и изменения объема),
- электросопротивления,
-намагниченности насыщения;
химических свойств;
механических свойств.
1. Методы, использование которых позволяет непосредственно
определять свойства материалов.
- прочность,
- твердость,
- упругость и др.
Наиболее доступным методом структурного анализа материалов является макроанализ, который заключается в определении строения материала невооруженным глазом или через лупу при небольших (до 30 раз) увеличениях. В этом случае можно одновременно наблюдать большую
поверхность изделия, что часто позволяет судить о качестве металла и
определять условия предшествующей обработки, влияющие на сплошность
материала и особенности его строения, затвердевания, а также характер и
качество обработки. Излом позволяет выявить кристаллическую структуру,
наличие дефектов, причины поломки изделия и др.
Этот метод не является окончательным, по данным макроанализа можно
выбрать участки для более подробного и детального исследования другими
методами.
Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры
материалов с помощью специальных микроскопов. Наблюдаемая структура
называется микроструктурой.
Для микроанализа используются оптические и электронные микроскопы,
которые требуют различной специальной подготовки объектов исследования.
Методами непосредственного исследования измеряют свойства материалов при помощи специальных приборов и оборудования.
1.3. Атомно-кристаллическое строение металлов.
1.3.1. Три агрегатных состояния вещества.
Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях -
твердом, жидком, газообразном.
Газообразное состояние представляется как непрерывное хаотическое
движение атомов, молекул.
Жидкое состояние предполагает хаотическое движение атомов,
молекул. Однако в этом случае в какие-то промежутки времени атомы могут
образовывать состояния близкие к упорядоченному. Такое состояние
существует очень короткое время и иногда называется ближним порядком.
Жидкое состояние есть как бы промежуточное состояние между
твердым и газообразным; для жидкого состояния характерны особенности
строения, типичные для газообразного и твердого; при соответствующих
условиях (при низких давлениях) возможен переход из твердого состояния в
газообразное непосредственно без промежуточного расплавления.
Твердое состояние вещества характеризуетсятемпературой и теплотой плавления, хрупкостью или пластичностью, прочностью на механическое воздействие, стойкостью к внешним химическим воздействиям, электрическим сопротивлением, структурой и др.
Вещества при переходе в твердое состояние из расплава или раствора приобретают определенную структуру, зависящую от метода его получения и молекулярного строения. Таких состояний два: аморфное и кристаллическое.
В аморфной структуре (некристаллической) составные элементы в объеме вещества размещаются хаотически, и такое состояние невозможно отобразить каким-либо законом или правилом. Эти вещества характеризуются только составом компонентов и их процентным содержанием (стекло, керамика). Например, в кварцевом стекле положение соседей второго и третьего порядков не является строго заданным, хотя каждый атом кремния координируется с четырьмя соседними атомами кислорода, а каждый атом кислорода - с двумя атомами кремния.
Кристаллическое состояние характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве. Например, каждый атом в твердом алюминии имеет 12 ближайших соседей, а также соседей второго и третьего порядков, расположенных по строго заданным направлениям и на определенных расстояниях.
1.3.2. Типы кристаллических решеток
Расположение атомов в кристалле изображается в виде
пространственных схем, так называемых элементарных кристаллических
ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается
наименьший комплекс атомов, который при своем многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.
Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая
решетка (рис. 2).
Рис. 2.Схема кубической кристаллической ячейки.
В такой решетке атомы уложены (упакованы) недостаточно плотно.
Стремление атомов занять места наиболее близкие друг к другу, приводит к
образованию других типов решеток:
-объемно-центрированный куб (ОЦК), где атомы расположены по
вершинам куба и в центре куба (рис. 3), такую решетку имеют альфа-железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др.;
Рис. 3. Схема объемно центрированной кубической ячейки.
-гранецентрированный куб (ГЦК), где атомы располагаются по вершинам куба и в центре граней куба (рис 4), такую решетку имеют гамма-железо, алюминий, медь, никель, золото, серебро и др.;
Рис. 4. Схема гранецентрированной кубической ячейки.
-гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). В виде
шестигранника, внутрь которого наполовину вставлен также шестигранник,
три атома верхней плоскости которого находятся внутри шестигранной
призмы (рис. 5), такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, осмий и др.
Рис. 5. Схема гексагональной плотноупакованной ячейки.
1.3.3. Размеры кристаллической решетки
Размеры кристаллической ячейки характеризуются параметрами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр - длина ребра куба «а». ГПУ-решетку определяют два параметра – «а» и «с».
Число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от
данного атома, называется координационным числом «к».
В простой кубической решетке к = 6, в ОЦК к = 8, в ГЦК к = 12, в
ГПУ к= 12.
1.3.4. Анизотропия
Плотность расположения атомов в кристаллической решетке неодинакова по различным плоскостям, поэтому свойства кристаллов зависят от направления испытаний. Такое различие свойств в зависимости от направления испытаний носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропные, но при большом
количестве кристаллов в поликристаллическом теле, когда кристаллиты имеют случайную ориентированность, свойства во всех направлениях статистически одинаковы. Это явление носит название квазиизотропии (ложной изотропии).
1.4. Реальное строение металлов
Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому
металлическое изделие состоит из большого числа кристаллов.
Такое строение называют поликристаллическим. По различным
причинам кристаллы не имеют возможности принять правильную форму.
Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате носят
название зерен или кристаллитов.
Исследования показывают, что внутренняя кристаллическая структура
зерна не является идеально правильной. Нарушения кристаллического строения по геометрическим признакам разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные.
К точечным дефектам относятся вакансии, замещенные атомы и внедренные атомы (рис. 6).
Рис. 6. Точечные дефекты в кристаллической решетке.
Вакансии - в отдельных узлах решетки отсутствуют атомы (пустые узлы).
Атомы внедрения это атомы, находящиеся не в узлах решетки, а в междоузлиях. Ими могут быть атомы данного элемента или элемента примеси. Атомы замещения являются примесными и замещают в узлах решетки атомы основного элемента. Эти атомы могут быть большими или меньшими размера атома основного элемента.
Отсутствие полуплоскостей в кристаллической решетке является линейным дефектом и называется дислокацией (рис. 7).
Рис. 7. Схема краевой дислокации в кристаллической решетке.
Дислокации играют важную роль в процессе пластической деформации, т.к. при приложении касательных усилий к дислокации она легко перемещается. Наличие дислокаций значительно уменьшает требуемые для деформации усилия, следовательно, прочностные свойства металлов существенно зависят от дислокационной структуры кристаллических зерен и, управляя этой структурой, можно целенаправленно изменять прочностные свойства. Изменять дислокационную структуру можно изменяя химический состав сплава, режимы термической обработки и др.
Поверхностные дефекты это дефекты на границах зерен. Поврежденный поверхностный слой, имеющий толщину порядка 5-10 атомных слоев, по свойствам и даже химическому составу может существенно отличаться от
сердцевины. На поверхности зерен могут находиться свободные атомы, обломки кристаллической решетки и химические соединения с примесями. Эти дефекты могут существенным образом сказываться на работоспособности деталей. Например, повышенное содержание серы и фосфора в металле за счет их химических соединений на поверхности зерен приводит к таким явлениям, как «красноломкость» и «хладноломкость».
Объемные дефекты это микроскопические трещины, поры, раковины, различные инородные включения (например, шлаковые). Они могут являться концентраторами напряжений и в процессе эксплуатации под воздействием внешних сил развиваются в трещины, что приводит к поломкам деталей.
В основном объемные дефекты являются металлургическими дефектами и напрямую зависят от качества получаемого металла. Чем ниже качество металла, тем больше приходится увеличивать рабочее сечение, чтобы компенсировать снижение уровня прочности.
ЛЕКЦИЯ 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ
Как указывалось ранее, любое вещество может находиться в трех
агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Твердое состояние
сменяется жидким при температуре плавления, а жидкое сменяется
газообразным при температуре кипения. Эти температуры при постоянном
давлении являются константами. Для чистых металлов известны их
температуры плавления и кипения. Так например, для ртути Тпл = -38,9°С, а
для вольфрама - 3390°С.
2.1. Энергетические условия процесса кристаллизации
При переходе из жидкого состояния в твердое образуется
кристаллическая решетка, образуются кристаллы и поэтому этот процесс
назван кристаллизацией. Чем же объясняется существование при одних
температурах жидкого, а при других газообразного, а при третьих - твердого
состояний, почему эти превращения происходят при строго определенных
температурах?
В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а
следовательно, и кристаллизация и плавление вызываются тем, что новое
состояние в новых условиях является более устойчивым, т.к. обладает
меньшим запасом энергии.
Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число
охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул) характеризуется
термодинамической функцией F, называемой свободной энергией.
Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем менее
она устойчива и если имеется возможность, то система переходит в
состояние, где свободная энергия меньше, так же как шарик переходит из
положения 1 с большей свободной энергией в положение 2 с меньшей свободной энергией (рис. 8).
Рис. 8. Энергетические условия положения шарика.
Шарик стремится попасть в положение 2 потому, что оно характеризуется меньшим значением потенциальной энергии, а именно потенциальная энергия характеризует энергетическое состояние шарика.
С изменением внешних условий, например температуры, свободная
энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкости
и кристаллического состояния. Схематически характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояния можно представить в виде графика (рис. 9).
Рис. 9. Характер изменения свободной энергии жидкой и твердой фаз.
Выше температуры Ts меньшей свободной энергией обладает жидкое
вещество, ниже Ts - вещество в твердом состоянии. Следовательно, выше Ts
вещество должно быть в жидком состоянии, а ниже Ts - в твердом. Эта
температура есть равновесная или теоретическая температура
кристаллизации (плавления) при которой металл в обоих состояниях находится в
равновесии.
При температуре Ts не может происходить процесса кристаллизации или плавления, т.к. при данной температуре Fж = Fкр. Для того чтобы вызвать кристаллизацию необходимо переохлаждение до температуры называемой фактической температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации
называется переохлаждением.
Величиной или степенью переохлаждения называют разность между
теоретической и фактической температурами кристаллизации Тn.
n = Тs - Тn
Процесс перехода из жидкого состояния в кристаллическое можно
изобразить кривыми в координатах время - температура (рис. 10).
Рис. 10. Кривые охлаждения металлов при кристаллизации.
Охлаждение металла в жидком состоянии может быть названо простым охлаждением, так как сопровождается плавным понижением температуры и, при этом, качественно состояние не изменяется.
При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения в координатах «температура – время» появляется горизонтальная площадка, так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации, т.е. после полного перехода в твердое состояние, температура опять начинает снижаться, и твердое
кристаллическое вещество охлаждается равномерно. Теоретический процесс
кристаллизации изображается кривой 1, кривая 2 (рис. 10) показывает
реальное протекание процесса кристаллизации. Жидкость непрерывно
охлаждается до температуры переохлаждения Тn, лежащей ниже
теоретической температуры кристаллизации Ts. При охлаждении ниже
температуры Ts создаются энергетические условия, необходимые для
протекания процесса кристаллизации.
У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая
теплота плавления выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается и приближается к
теоретической температуре Ts (например, сурьма). Для большинства
металлов величина переохлаждения при кристаллизации оказывается очень
незначительной.
2.2. Механизм процесса кристаллизации
В 1878 г. Чернов Д.К. в своих исследованиях выявил, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов.
Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые навали центрами кристаллизации.
Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров. Оба процесса
при кристаллизации протекают одновременно.
Скорость процесса кристаллизации и величина образовавшихся кристаллитов в значительной степени зависят от степени переохлаждения. В начальные моменты кристаллизации, по мере развития процесса, все большее и большее число кристаллов участвует в нем, поэтому процесс кристаллизации ускоряется. Затем взаимное столкновение растущих кристаллов начинает заметно препятствовать их росту.
В процессе кристаллизации, пока кристалл окружен жидкостью, он
часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании
кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма оказывается
зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов.
Увеличение степени переохлаждения вызывает увеличение скорости образования числа центров кристаллизации, а значит, структура металла образуется мелкозернистой. Уменьшение степени переохлаждения приводит к увеличению размеров зерен. Следовательно, управляя степенью переохлаждения можно регулировать степень дисперсности металлов, а от нее сильно зависят механические свойства.
2.3. Форма кристаллических образований
Протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения может становиться второстепенной.
Первостепенное значение для кристаллизации из жидкого состояния
в реальных условиях приобретают как для скорости течения процесса, так и для формы образующихся кристаллов такие факторы как скорость и направление отвода тепла, наличие частиц, которые могут служить центрами кристаллизации, наличие конвекционных токов жидкости и др.
В направлении отвода тепла или перпендикулярно стенке изложницы
кристалл растет быстрее, чем в любом другом направлении. В этом направлении кристалл имеет более о