«Будова атомів металів»
Серед безлічі матеріалів, здавна відомих людині ішироко використовуваних нею у своєму житті й діяльності, метали завжди посідалиособливе місце: і в назвах епох (золотого, срібного, бронзового, залізноговіку), на які греки поділяли історію людства; і в археологічних знахідкахметалевих виробів (куті мідні прикраси, сільськогосподарські знаряддя); і вповсюдному використанні металів і сплавів у сучасній техніці.
Метали — найпоширеніші в природі елементи. Причинацього — в особливих властивостях металів, що вигідно відрізняють їх від іншихматеріалів і роблять у багатьох випадках незамінними. Вони складають один ізкласів конструкційних матеріалів, що характеризується визначеним наборомвластивостей:
«металевий блиск» (гарна відбивна здатність);
пластичність;
висока теплопровідність;
висока електропровідність.
З позиції хімії метали (їх близько 80) — цеелементи, атоми яких складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого нарізній відстані обертаються негативно заряджені електрони, утворюючи певніелектронні оболонки. Зовнішня електронна оболонка металів містить невеликукількість електронів (1...2). Сила притягування ядра атома щодо зовнішніх(валентних) електронів значною мірою компенсується електронами внутрішніхоболонок. Тому атоми металів досить легко втрачають зовнішні електрони іперетворюються на позитивно заряджені іони. Вільні електрони легкопересуваються в усіх напрямках між утвореними позитивно зарядженими іонами,нагадуючи рух частинок газу («електронний газ»). Існування водночас нейтральнихта іонізованих атомів і вільних електронів є підставою для уявлень щодоособливого типу міжатомного зв'язку, притаманного тільки металам, — металевого.У металі постійно відбувається обмін електронами між нейтральними йіонізованими атомами, завжди є певна кількість електронів, що на даний моментне належать якомусь з атомів. Якщо створити у металі різницю потенціалів, рухелектронів набуде певного напрямку і виникне електричний струм. Наявністювільних (колективізованих) електронів пояснюють існування спільних для всіхметалів властивостей (пластичність, непрозорість, блиск, високі електро- ітеплопровідність), а їх кількість визначає різний ступінь «металевості» окремихметалів.
Метал як хімічний елемент може бути компонентом,тобто речовиною, яка утворює систему і входить до складу сплавів з двох абокількох елементів.
Кожний метал (речовина) може перебувати у трьохагрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому.
У газоподібному металі відстань між атомами(частинками) велика, сили взаємодії є малими й атоми хаотично пересуваються упросторі й відштовхуються один від одного. У газоподібному стані атоми маютьбільшу кінетичну енергію.
У рідкому стані атоми (частинки) зберігають лише такзваний близький порядок, тобто в об'ємі закономірно розташована невеликакількість атомів, а не атоми всього об'єму. Близький порядок є нестійким.
Будова рідких металів і сплавів певною мірою впливаєна формування деяких особливостей їх будови в твердому стані, що маєекспериментальні підтвердження за допомогою сучасних методів досліджень івикористовується при розробленні технології виплавки і твердіння сплавів.
Рідкі метали, як і кристалічні, характеризуютьсяблизькими значеннями густини, тому їх об'єднують під назвою конденсованих фаз.Вони суттєво відрізняються від металевого газу. Кристалічний металхарактеризується далеким порядком розташування атомів, тобто повністюзакономірне розміщення атомів у просторі спостерігається на великих відстаняхвід окремо взятого (даного атома). В рідкому металі впорядковане розташуванняспостерігається тільки в найближчому оточенні певного атома, тому будоварідкого металу характеризується наявністю близького порядку.
Властивості металів зумовлює їх атомна будова ікристалічна структура. Залежно від будови і властивостей метали об'єднують урізні групи. За загальною і найпоширенішою класифікацією метали поділяють надві групи: чорні й кольорові (рис. 1.1). До чорних металів належать залізо тайого сплави (сталь, чавун), а до кольорових — решта металів.
/>
Рис. 1.1 Загальна класифікація металів
За класифікацією О. П. Гуляєва чорні метали маютьтемно-сірий колір, вищі температури плавлення, значну твердість і густину,здатні до поліморфних перетворень (окрім Ni). Серед них розрізняють:
залізні — Fe, Co, Ni, Mn;
тугоплавкі — температура плавлення яких вища затемпературу плавлення заліза (понад 1539 °С) — W, Mo, Re, Nb, Ti, V, Cr;
уранові — актиніди;
рідкісноземельні (РЗМ) — La, Ce, Nd, Pr та інші.
У техніці використовується понад 90 % чорнихметалів.
До кольорових належить решта металів. Характернимдля них є забарвлення (червоне, жовте, біле), висока пластичність, низькатвердість, відносно низька температура плавлення, відсутність поліморфізму.Типовим представником групи кольорових металів є мідь і сплави на її основі(бронза, латунь). Серед кольорових металів розрізняють:
легкі (Мg, Ве, Аl, Ті), які мають малу густину;
легкоплавкі (Zn, Cd, Hg, Sn, Pb, Bi, Tl, Sb) зтемпературою плавлення, нижчою від заліза;
тугоплавкі (W, Мо, Nb, Та) з температурою плавленнявищою, ніж у заліза;
благородні (Аg, Аu, Рt) з високою стійкістю протикорозії;
уранові (актиніди), які використовуються в атомнійтехніці;
рідкісноземельні (РЗМ) — лантаноїди;
лужні (Na, К, Zn) — у вільному стані майже незастосовуються.
Кольорові метали додають до складу легованих сталейі сплавів для поліпшення їхньої структури та властивостей, а такожвикористовують для виготовлення різноманітних виробів.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Назвіть характерні властивості металів.
2. У яких агрегатних станах може перебуватикожний метал?
3. Як класифікуються метали?
4. Чи належать метали до конструкційнихматеріалів?
5. Скільки металів у періодичній системі Д.І. Менделєєва?
6. Які характерні властивості чорнихметалів за класифікацією О. П. Гуляєва?
7. Які характерні властивості кольоровихметалів за класифікацією О. П. Гуляєва?
8. Назвіть типових представників групикольорових металів.
9. Назвіть благородні кольорові метали.
«Атомно-кристалічнабудова металів»
Підатомно-кристалічною структурою розуміють взаємне розташування атомів (іонів) уреальному кристалі. Залежно від будови (розташування атомів) тверді тілаподіляють на аморфні та кристалічні.
Аморфнітіла характеризуються хаотичним розташуванням атомів, тому, зберігаючи постійнуформу, вони не мають певних (критичних) температур плавлення та кристалізації.Залежно від зовнішніх умов їхні властивості змінюються поступово. Аморфний станметалів реалізується за умов інтенсивного охолодження під час кристалізації.
Зазвичайних умов тверднення метали у твердому стані мають кристалічну будову. Длякристалічного стану характерним є певне закономірне розташування у просторі.Кожен атом (іон) у кристалі оточений визначеною кількістю найближчих атомів(сусідів), розташованих на однаковій відстані від нього.
Зпогляду внутрішньої будови вони мають неоднаковий ступінь упорядкованості структурнихчастинок — іонів, атомів, молекул. В аморфних тілах (каніфоль, скло, смола)спостерігається близький порядок розміщення частинок, який поширюється лише вмежах кількох міжатомних відстаней. У кристалічних тілах, до яких належать усіметали, упорядковане розміщення характерне для як завгодно віддалених частинок.Тому говорять, що там спостерігається далекий порядок. Таке правильне,регулярне розміщення частинок у твердому тілі, що характеризується періодичноюповторюваністю у всіх трьох вимірах, утворює просторову (кристалічну) ґратку(рис. 1.2).
/>
Рис.1.2. Схема кристалічної ґратки: a,b, c— періоди ґратки
Доосновних параметрів кристалічних ґраток належать:
елементарнакомірка — це найменша кількість (комплекс) атомів, яка при багаторазовомуповторі у просторі дозволяє побудувати просторові кристалічну ґратку певноїсистеми;
відрізки,що дорівнюють відстаням до найближчих атомів (іонів) по координатних осях утривимірному просторі, позначають літерами а, b,с;
кутиміж цими відрізками позначають α,β, γспіввідношення відрізків і кутів визначає форму комірки;
періодабо параметр ґратки дорівнює довжині ребра комірки у напрямку головних осейкристалічної ґратки. Параметри вимірюють у нанометрах (нм), ангстремах (Å);
координаційнечисло (К) характеризує щільність пакування ґратки, визначає кількістьнайближчих і рівновіддалених атомів у певній кристалічній ґратці. Координаційнечисло простої кристалічної ґратки позначають К6 (літера означає тип ґратки,цифра — кількість атомів), об'ємоцентричної кубічної — К8; гранецентричноїкубічної — К12; гексагональної — Г6; гексагональної щільного пакування — Г12;
базис— це кількість атомів (іонів), які належать до однієї комірки;
атомнийрадіус — половина відстані між центрами найближчих атомів у кристалічній ґратціпевної кристалічної системи;
коефіцієнткомпактності — це відношення об'єму, який займають атоми (іони), до всьогооб'єму комірки цього типу.
Якщоякесь тіло становить один кристал, його називають монокристалом (від грецьк. —один, єдиний). Однак практично всі металеві вироби, що зустрічаються вмашинобудуванні, складаються з величезної кількості кристалів (зерен різноїформи і розмірів, дендритів), і тому їх називають полікристалами (від грецьк. —численний). Властивості полікристалічних матеріалів значною мірою залежать відформи і розмірів кристалів, проте їхня внутрішня будова є настільки жзакономірною, як у монокристалів.
Дляхарактеристики атомно-кристалічної структури твердих тіл користуються поняттямелементарної комірки. Це найменший комплекс структурних частинок, багатократнепересування якого у просторі повністю відтворює будову кристалу.
Простороверозташування атомів у кристалічному тілі залежить від природи металу, характеруміжатомних зв'язків, температури, тиску. Прагнення атомів до найщільнішогорозміщення приводить до значної кількості комбінацій їх взаємного розташування.Серед промислових металів найпоширенішими є утворення трьох основних типівкристалічних ґраток (рис. 1.3): об'ємоцентричної кубічної (ОЦК),гранецентричної кубічної (ГЦК) і гексагональної щільного пакування (ГЩП).
/>
Рис.1.3. Елементарні кристалічні ґратки: а — об'ємоцентричний куб; бгранецентричний куб; в — гексагональна щільного пакування
Воб'ємоцентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинах куба й один атому центрі куба. Таку кристалічну ґратку мають P,K, Na,Li, Tiβ,Zrβ, Ta,W, V,Feα, Cr,Nb, Baй інші метали. У гранецентричній кубічній ґратці атоми розташовані у вершинахкуба і в центрі кожної грані. Кристалічну ґратку такого типу мають Саα,Се, Srα, Th,Pb, Ni,Ag, Au,Pd, Pt,Ir, Feγ,Cu й інші метали.
Гексагональнуґратку щільного пакування мають Mg,Tiα, Cd,Re, Os,Ru, Zn,Coβ, Be,Caβ й інші метали. Атоми уГЩП-ґратці розташовані у вершинах і центрі шестигранних основ призми та триатоми — у середній площині призми.
Багатометалів і деякі технічно важливі неметали кристалізуються у різних кристалічнихґратках залежно від таких зовнішніх умов, як температура і тиск, їх називаютьалотропними модифікаціями, а таке явище поліморфізмом. Низькотемпературнумодифікацію позначають α,а високотемпературні — β,γ, δтощо. Кожна модифікація має свій температурний інтервал існування. Внаслідокполіморфного перетворення утворюються нові кристалічні зерна іншої форми тарозміру, тому таке перетворення називають перекристалізацією.
Приполіморфних перетвореннях змінюється не лише тип кристалічної ґратки, але йвластивості металу, при цьому властивості змінюються стрибкоподібно. Так,ОЦК-ґратка α-заліза при 911°С перетворюється в ГЦК-ґратку γ-заліза,яка може розчинити значно більшу кількість вуглецю, ніж α-ґратка.Феромагнітні властивості має тільки α-залізо,але не в усій сфері свого існування, оскільки температура Кюрі становить 770°С. Усе це має важливе значення для виробництва й обробки сталі. В іншихелементах поліморфні перетворення супроводжуються змінами механічних, теплових,електричних, оптичних, хімічних властивостей.
Усікристалічні тіла анізотропні, що передбачає різницю властивостей у різнихнапрямках. Анізотропія яскраво виражена лише в монокристалах. Уполікристалічних матеріалах, наприклад зливках, з великою кількістю хаотичноорієнтованих кристалів вона не має чітко вираженого характеру, оскількивластивості їх у різних напрямках усереднюються. Про такі матеріали говорять,що вони ізотропні. Аморфні тіла, які мають невпорядковану насиченість атомами,у різних напрямках також є ізотропними. Проте у структурі металу іноді можестворюватися переважаюча орієнтація кристалів, тоді він стає анізотропним.Прикладом анізотропності може бути текстура листового металу, що з'являєтьсяпід час його обробки тиском. Тоді його міцність, теплові, електричні, магнітніта інші властивості вздовж і поперек прокатки неоднакові і можуть значнорізнитися. У багатьох випадках це небажано, але іноді створюється навмисно зметою поліпшення експлуатаційних характеристик. Таким чином, структура металіві сплавів визначає їх механічні й технологічні властивості, особливо під частермічної обробки, експлуатації виробів при високих і низьких температурах.Тому її вивчення має надзвичайно велике значення для практики.Матеріалдля закріплення знань
/>
Рис.1.4. Ґратка об'ємоцентрична кубічна (Mo,W, V,Feα): r— найменша відстань до сусідніх атомів
Таблиця1.1Характеристикиоб'ємоцентричної кубічної ґраткиПараметр Значення Кути між осями α = β = γ = 90° Період ґратки a = b = c Кількість атомів на чарунку n = 2 Координатне число Z = 8 Коефіцієнт компактності K = 0,68
/>
Рис.1.5. Ґратка гранецентрична кубічна (Al,Cu, Au,Ag, Feγ):r — найменша відстань до сусідніхатомів
Таблиця1.2Характеристикигранецентричної кубічної ґраткиПараметр Значення Кути між осями α = β = γ = 90° Період ґратки a = b = c Кількість атомів на чарунку n = 4 Координатне число Z = 12 Коефіцієнт компактності K = 0,74
/>
Рис.1.6 Ґратка гексагональна щільного пакування (Mg,Coα, Zn,Tiα, Cd)
Таблиця1.3Характеристикигексагональної щільноупакованої ґратки Параметр Значення Кути між осями α = β = 90°, γ = 90° Період ґратки a = b, c/a = 1,633 Кількість атомів на чарунку n = 6 Координатне число Z = 12 Коефіцієнт компактності K = 0,74
КОНТРОЛЬНІЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Наякі групи залежно від будови поділяються тверді тіла?
2. Щотаке аморфні тіла?
3. Щотаке кристалічні тіла?
4. Наведітьприклади аморфних тіл.
5. Наведітьприклади кристалічних тіл.
6. Щотаке просторова кристалічна ґратка?
7. Назвітьосновні параметри кристалічних ґраток.
8. Якітипи кристалічних ґраток характерні для металів?
9. Що таке поліморфізм металів?
10. Анізотропія й ізотропія, що це?
«Дефектикристалічної будови металів»
Зрідкого розплаву можна виростити монокристали. Їх, як правило, використовують улабораторіях для вивчення властивостей тієї чи іншої речовини.
Металиі сплави, отримані у звичайних умовах, складаються з великої кількостікристалів, тобто мають полікристалічну будову. Ці кристали називаються зернами,мають неправильну форму і по-різному орієнтовані в просторі. Кожне зерно маєвласне орієнтування кристалічних ґрат, відмінне від орієнтування сусідніхзерен, унаслідок чого властивості реальних металів усереднюються, і явищеанізотропії не спостерігається.
Укристалічних ґратах реальних металів наявні різні дефекти (недосконалості), щопорушують зв'язки між атомами і впливають на властивості металів. Розрізняютьтакі структурні дефекти:
точкові— малі у всіх трьох вимірах;
лінійні— малі у двох вимірах і як завгодно протяжні в третьому;
поверхневі— малі в одному вимірі.
Одниміз поширених недоліків кристалічної будови є наявність точкових дефектів:вакансій, дислокованих атомів і домішок (рис. 1.7).
/>
Рис.1.7. Точкові дефекти: а — вакансія; б —домішковий (чужорідний) атом; в — дислокований атом
Вакансія— відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, «дірки», що утворилися врезультаті різних причин: при переході атомів із поверхні в навколишнєсередовище чи з вузлів ґрат на поверхню (границі зерен, порожнечі, тріщинитощо), у результаті пластичної деформації, при бомбардуванні тіла атомами чичастинками високих енергій (опромінення в циклотроні чи нейтронне опромінення вядерному реакторі). Концентрація вакансій значною мірою визначаєтьсятемпературою тіла. Скупчення багатьох вакансій може призвести до утворення порі порожнеч.
Дислокованийатом — це атом, що вийшов із вузла ґрат і зайняв місце в міжвузлі. Концентраціядислокованих атомів значно менше, ніж вакансій, оскільки для їх утвореннянеобхідні істотні витрати енергії. При цьому на місці атома, що перемістився,утвориться вакансія.
Домішковіатоми завжди присутні в металі, оскільки практично неможливо виплавити хімічночистий метал. Вони можуть мати розміри, більші чи менші розмірів основнихатомів, і розташовуються у вузлах ґрат чи міжвузлях.
Точковідефекти викликають незначні перекручування ґрат, що може привести до змінивластивостей тіла (електропровідність, магнітні властивості), їхня наявністьсприяє процесам дифузії та здійсненню фазових перетворень у твердому стані.
Основнимилінійними дефектами є дислокації. Дислокація — це дефекти кристалічної будови,що являють собою лінії, уздовж і поблизу яких порушене характерне для кристалаправильне розташування атомних площин.
Дислокаціївпливають не лише на міцність і пластичність, але й на інші властивостікристалів. Зі збільшенням щільності дислокацій змінюються оптичні властивості,підвищується електричний опір металу. Дислокації збільшують середню швидкістьдифузії в кристалі (рис. 1.8), прискорюють старіння й інші процеси, зменшуютьхімічну стійкість, тому в результаті обробки поверхні кристала спеціальнимиречовинами в місцях виходу дислокацій утворюються ямки.
/>
Рис.1.8. Схема дифузії в кристалі
Поверхневідефекти виникають на границях зерен, фрагментів і блоків (рис. 1.9).
/>
Рис.1.9. Границі зерен: а — схемаполікристалічного тіла; б — схема будови границі зерна
Розміризерен складають до 1000 мкм. Границя між зернами являє собою тонку, в 5—10атомних діаметрів, поверхневу зону з максимальним порушенням порядку врозташуванні атомів.
КОНТРОЛЬНІЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Щотаке зерна?
2. Назвітьгрупи дефектів (недосконалостей) кристалічних граток.
3. Щоналежить до точкових дефектів?
4. Щотаке вакансія?
5. Щотаке дислокований атом?
6. Щотаке домішковий (чужорідний) атом?
7. Дозміни яких властивостей металів можуть призвести точкові дефекти?
8. Якідефекти належать до лінійних?
9. Дозміни яких властивостей металів призводить дислокація?
10. Де виникають поверхневі дефекти?
«Кристалізаціяметалів»
Кристалізацієюназивають перехід металів з рідкого стану в твердий (кристалічний).Відбувається вона внаслідок переходу системи з термодинамічно нестійкого станув термодинамічно стійкий стан, тобто зі стану з більшою енергією у стан зменшою вільною енергією або термодинамічним потенціалом, коли вільна енергіякристала є меншою від вільної енергії рідкої фази.
Енергетичнийстан системи прийнято характеризувати вільною енергією. Вільною енергієюназивається частина повної енергії речовини, яка обернено змінює свою величинупри зміні температури, поліморфних перетвореннях, плавленні. З підвищеннямтемператури величина вільної енергії зменшується. Зміну вільної енергії рідкоїі твердої речовини показано на рис. 1.10.
/>
Рис.1.10 Зміна вільної енергії рідкого і твердого металу залежно від температури
Прирівноважній температурі Тпл величини вільної енергії металу в рідкому ітвердому стані рівні; метал в обох станах перебуває у рівновазі. Притемпературі вище Тпл стійкішим є рідкий метал, який має менший запас вільноїенергії, а нижче цієї температури стійким є твердий метал. Процес кристалізаціїрозвиватиметься в тому випадку, якщо рідкий метал охолодити нижче температуриТпл.
Температура,за якої практично починається процес кристалізації, називається фактичноютемпературою кристалізації Тк.
Різницяміж рівноважною температурою Тпл і фактичною температурою Тк називаєтьсяступенем переохолодження ΔТ: />(1.1)
Процеспереходу металу з рідкого стану у твердий можна описати за допомогою кривих укоординатах температура — час.
Нарис. 1.11 показані криві охолодження, які характеризують процес кристалізаціїчистих металів при охолодженні з різною швидкістю V.При дуже повільному охолодженні ступінь переохолодження малий і при температурікристалізації на кривій з'являється горизонтальна ділянка (зупинка у падіннітемператури), утворення якої пояснюється виділенням прихованої теплотикристалізації.
/>
Рис.1.11. Криві охолодження чистого металу
Підчас плавлення відбувається поглинання теплоти, яка витрачається на підвищенняенергії атомів, тобто на «руйнування» кристалічної ґратки металу. Ця теплотаназивається прихованою. У процесі кристалізації відбувається зворотне виділенняенергії у вигляді прихованої теплоти кристалізації, яка компенсує тепло, щовідводиться в оточуюче середовище, і затримує падіння температури.
Зізбільшенням швидкості охолодження ступінь переохолодження збільшується (криві 2і 3) і процес кристалізації відбувається при температурах, які є значно нижчими,ніж рівноважна температура кристалізації.
Ступіньпереохолодження залежить від природи і чистоти металу. Чим чистіший метал, тимпри більшому ступені переохолодження виникають зародки твердих кристалів.
Процескристалізації складається з двох стадій:
утворенняцентрів кристалізації (зародків кристалів);
розростаннякристалів навколо цих центрів.
Схематичнопроцес кристалізації показаний на рис. 1.12. При переохолодженні металу нижчетемператури Тпл у багатьох ділянках рідкого металу утворюються стійкі, здатнізбільшуватися кристалічні зародки, які називають критичними зародками. Поки їхоточує рідина, кристали ростуть вільно і можуть мати правильну геометричнуформу. Однак при зіткненні зростаючих кристалів їх правильна форма порушується,оскільки на ділянках контакту зростання граней припиняється. Кристал росте лишев тому напрямку, де він стикається з рідиною. Наслідком є те, що зростаючікристали, які мають спочатку геометрично правильну форму, після твердненнянабувають неправильної зовнішньої форми. Їх називають зернами, або кристалітами(рис. 1.13).
/>
Рис.1.12 Схема процесу кристалізації металу
/>
Рис.1.13. Мікроструктура заліза: а — зерна заліза; б — зерно заліза
Швидкістьпроцесу кристалізації визначається двома величинами: швидкістю зародженняцентрів кристалізації і швидкістю росту кристалів.
Підшвидкістю зародження центрів кристалізації розуміють кількість зародків, яківиникають за одиницю часу в одиниці об'єму. Під швидкістю росту кристаліврозуміють швидкість збільшення лінійних розмірів кристала за одиницю часу.
Кількістьцентрів кристалізації і швидкість росту кристалів залежать від ступеняпереохолодження. Як видно з рис. 1.14, кількість зародків і швидкість їхзародження при рівноважній температурі кристалізації дорівнює нулю. Призбільшенні ступеня переохолодження вони зростають і досягають максимуму. Привеликих ступенях переохолодження кількість центрів кристалізації і швидкістьросту дорівнюють нулю, оскільки при низьких температурах дифузійна рухомістьатомів є зменшеною, а тим самим є зменшеною і здатність системи доперетворення.
/>
Рис.1.14 Швидкість росту кристалів (ш.р.) і швидкість зародження центрівкристалізації (ч.ц.) залежно від ступеня переохолодження
Величиназерна. Чим більше центрів кристалізації і менше швидкість їх росту, тимдрібніші зерна металу.
Приневеликій швидкості переохолодження кількість зародків є малою, а швидкістьвеликою. За цих умов отримаємо крупне зерно. Зі збільшенням ступеняпереохолодження кількість зародків зростає більшою мірою, ніж швидкість їхросту, і розмір зерна у металі зменшується.
Величиназерна металу значною мірою впливає на механічні властивості. Чим дрібніше зернометалу, тим вище його міцність, в'язкість і пластичність. На розмір зернавпливають температура нагрівання і розливання рідкого металу, його хімічнийсклад і наявність у ньому домішок.
Модифікуваннярідкого металу. Для отримання дрібного зерна в рідкий метал вводять спеціальнідомішки (модифікатори), які, не змінюючи хімічного складу металу, поліпшуютьмеханічні властивості сплаву. Так, для сталі модифікаторами є Аl,V, Ті; для алюмінію — Ті, V,Zr; для чавуну — Мg.Нерідко роль модифікаторів відіграють хімічні елементи, які утворюютьтугоплавкі сполуки, що кристалізуються в першу чергу. Ці сполуки (карбіди,нітриди, оксиди) виділяються у вигляді найдрібніших частинок і є зародкамикристалів, що виникають під час твердіння. Наприклад, під час модифікуванняалюмінієвих сплавів як модифікатори використовують Ті, V,Zr, для сталі — Аl,V, Ті, для чавуну — Мg,феросиліцій, силікокальцій, Аl.
Будоваметалевого зливка. У процесі затвердіння кристали металу можуть мати різнуформу залежно від швидкості охолодження, характеру й кількості домішок.Найчастіше утворюються дендрити (від грецьк. дендрон дерево). Спочаткувиникають осі першого порядку (довгі гілки), потім перпендикулярно до них осідругого порядку, далі перпендикулярно до осей другого порядку утворюються осітретього порядку тощо. У кінцевому підсумку кристали набувають форми дендритів(рис. 1.15).
/>
Рис.1.15. Схема дендритів
Будовузливка складають три основні зони (рис. 1.16).
/>
Рис.1.16. Схема будови сталевого зливка за Д. К. Черновим:1— усадкова раковина; 2 — зона дрібних рівновісних кристалів; 3 — зонастовбчастих кристалів; 4 — зона крупних рівновісних кристалів
Зона1 — зовнішня дрібнозерниста кірка, що складається з дрібних дезорієнтованихкристалів — дендритів. При першому зіткненні зі стінками виливниці (металевоїформи) виникає значний перепад температур, що спричиняє переохолодження зутворенням великої кількості центрів кристалізації. У результаті кірка набуваєдрібнозернистої будови.
Зона2 — зона стовбчастих кристалів. Тут перепад температур різко зменшується і,відповідно, знижується ступінь переохолодження сплаву.
Зона3 — зона рівноважних кристалів. У центрі зливка вже немає певного напрямкувіддачі теплоти. Тому кристали ростуть рівномірно у всіх напрямках. Зародкамикристалів тут виступають дуже дрібні включення.
Підчас охолодження об'єм металу зменшується (дає усадження), тому у верхнійчастині зливка утворюються порожнини: усадочна раковина і усадочна пухкість.
Залежновід складу сталі, розмірів зливка й умов охолодження ці зони можуть змінюватисяі навіть зникати, але загальний характер будови зливка під час кристалізаціїзалишається.
Наприклад,у невеликих зливках і виливках у металеві форми, особливо при заливанніперегрітого металу, зона стовпчастих кристалів стає великою і може зайняти весьпереріз зливка, навіть до центру. Зона таких кристалів має велику густину,оскільки в ній мало газових бульбашок, раковин. У той же час на ділянках стикустовпчастих кристалів метал має понижену міцність, і під час обробки тиском(кування, прокатування тощо) на цих ділянках можуть виникати тріщини. Тому длямалопластичних металів, у тому числі й для сталі, ріст стовпчастих кристалівнебажаний. І навпаки, для отримання щільнішого зливка у пластичних металів(наприклад, міді та її сплавів) бажаним є поширення зони стовпчастих кристалівпо всьому об'єму зливка; внаслідок високої пластичності таких сплавівруйнування зливка під час обробки тиском не відбувається.
Поліморфніалотропні перетворення у металах (перекристалізація). Багато металів, залежновід температури, можуть існувати в різних кристалічних формах або, як кажуть,модифікаціях. Унаслідок поліморфного (алотропного) перетворення кристалічніґратки одного типу перебудовуються на кристалічні ґратки іншого типу, іншоїформи й іншого розміру. Поліморфні перетворення спостерігаються не у всіхметалів, але в найважливіших вони існують.
Термодинамічноюпередумовою поліморфних перетворень є зменшення вільної енергії. Перехід зоднієї кристалічної форми в іншу відбувається за постійної температури(критичні точки) і супроводжується виділенням теплоти при охолодженні йпоглинанням теплоти при нагріванні. Для цього переходу, як і при кристалізаціїз рідкої фази, потрібне переохолодження (або перегрів) відносно рівноважноїтемператури, щоб виникла різниця вільних енергій.
Утвердому металі, на відміну від рідкого, можливе досягнення дуже великогопереохолодження.
Поліморфніперетворення здійснюються шляхом утворення зародків та їхнього росту врезультаті переходу атомів зі старої модифікації у нову. Зародки новоїмодифікації найчастіше виникають на межах зерен вихідних кристалів або в зонахз підвищеним рівнем вільної енергії. Поліморфне перетворення супроводжуєтьсястрибкоподібною зміною всіх властивостей металу — механічних, фізичних,хімічних.
Модифікацію,що існує при найнижчій температурі, позначають грецькою літерою α,при дещо вищій — β,ще вищій — γ тощо.
КОНТРОЛЬНІЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
1. Щотаке кристалізація металів?
2. Щотаке ступінь переохолодження?
3. Зяких двох стадій складається процес кристалізації?
4. Щотаке кристаліти?
5. Якимивеличинами визначається швидкість процесу кристалізації?
6. Якможна отримати дрібніше зерно металу?
7. Наякі властивості металів впливає величина зерна?
8. Щовводять до рідкого металу для отримання дрібного зерна?
9. Щотаке дендрити?
10. Назвітьосновні зони будови зливка.
11. Щотаке поліморфні, алотропні перетворення у металах?