Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 9 )

Мінімальний розмір здатного до росту зародка називається критичним розміром, а зародок – стійким.

Перехід з рідкого стану в кристалічне вимагає витрати енергії на утворення поверхні роздягнула рідина - кристал. Процес кристалізації буде здійснюватися, коли виграш від переходу у твердий стан більше втрати енергії на утворення поверхні роздягнула. Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази представлена на мал.

Зародки з розмірами рівні і більшими критичного ростуть зі зменшенням енергії й тому здатні до існування.

Залежність енергії системи від розміру зародка твердої фази

Модель процесу кристалізації

Центри кристалізації утворяться у вихідній фазі незалежно друг від друга у випадкових місцях. Спочатку кристали мають правильну форму, але в міру зіткнення й зрощення з іншими кристалами форма порушується. Ріст триває в напрямках, де є вільний доступ живильного середовища. Після закінчення кристалізації маємо полікристалічне тіло.

Якісна схема процесу кристалізації може бути представлена кількісно кінетичній кривій (мал.3.5).

Рис. Кінетична крива процесу кристалізації

Процес спочатку прискорюється, поки зіткнення кристалів не починає перешкоджати їхньому росту. Об'єм рідкої фази, у якій утворяться кристали зменшується. Після кристалізації 50 % об'єму металу, швидкість кристалізації буде вповільнюватися.

Таким чином, процес кристалізації складається з утворення центрів кристалізації й росту кристалів із цих центрів.

У свою чергу, число центрів кристалізації (ч. ц.) і швидкість росту кристалів (с. р.) залежать від ступеня переохолодження.

Рис. Залежність числа центрів кристалізації (а) і швидкості росту кристалів (б) від ступеня переохолодження

Розміри кристалів, що утворилися, залежать від співвідношення числа центрів, що утворилися, кристалізації й швидкості росту кристалів при температурі кристалізації.

При рівноважній температурі кристалізації ТS число центрів, що утворилися, кристалізації й швидкість їхнього росту рівняються нулю, тому процесу кристалізації не відбувається.

Якщо рідина переохолодити до температури, що відповідає т.а, то утворяться крупні зерна (число центрів, що утворилися, невелике, а швидкість росту - більша).

При переохолодженні до температури відповідної т. в – дрібне зерно (утвориться велика кількість центрів кристалізації, а швидкість їхнього росту невелика).

Якщо метал дуже сильно переохолодити, то число центрів і швидкість росту кристалів дорівнюють нулю, рідина не кристалізується, утвориться аморфне тіло. Для металів, що володіють малою схильністю до переохолодження, експериментально виявляються тільки висхідні галузі кривих.

Умови одержання дрібнозернистої структури

Прагнуть до одержання дрібнозернистої структури. Оптимальними умовами для цього є: максимальне число центрів кристалізації й мала швидкість росту кристалів.

Розмір зерен при кристалізації залежить і від числа часточок нерозчинних домішок, які відіграють роль готових центрів кристалізації - оксиди, нітриди, сульфіди.

Чим більше часточок, тим дрібніше зерна металу, що закристалізувався.

Стінки ізложниць мають нерівності, шорсткості, які збільшують швидкість кристалізації.

Дрібнозернисту структуру можна одержати в результаті модифікування, коли в рідкі метали додаються сторонні речовини – модифікатори,

По механізму впливу розрізняють:

1.  Речовини не розчиняються в рідкому металі - виступають як додаткові центри кристалізації.

2.  Поверхово - активні речовини, які розчиняються в металі, і, осаджуючись на поверхні зростаючих кристалів, перешкоджають їхньому росту.

Будова металевого злитка

Схема сталевого злитка, дана , представлена на мал.

Рис. Схема сталевого злитка

Злиток складається із трьох зон:

1.  Дрібнокристалічна коркова зона;

2.  зона стовпчастих кристалів;

3.  внутрішня зона великих рівновісних кристалів.

Кристалізація коркової зони йде в умовах максимального переохолодження. Швидкість кристалізації визначається

більшим числом центрів кристалізації. Утвориться дрібнозерниста структура.

Рідкий метал під корковою зоною перебуває в умовах меншого переохолодження. Число центрів обмежене й процес кристалізації реалізується за рахунок їхнього інтенсивного зростання до великого розміру.

Ріст кристалів у другій зоні має спрямований характер. Вони ростуть перпендикулярно стінкам ізложниці, утворяться деревоподібні кристали - дендрити (мал. 3.8). Ростуть дендрити з напрямком, близьким до напрямку тепловідводу.

Схема дендрита по

Тому що тепловідводу від незакристалізувавшогося металу в середині злитка в різні сторони вирівнюється, то в центральній зоні утворяться великі дендрити з випадковою орієнтацією.

Зони стовпчастих кристалів у процесі кристалізації стикуються, це явище називається транскристалізацією.

Для малопластичних металів і для сталей це явище небажане, тому що при наступній прокатці, малодоходному можуть утворюватися тріщини в зоні стику.

У верхній частині злитка утвориться усадочна раковина, що підлягає відрізку й переплавленні, тому що метал більше пухкий (близько 15...20 % від довжини злитка)

Методи дослідження металів: структурні й фізичні

Метали й сплави мають різноманітні властивості. Використовуючи один метод дослідження металів, неможливо одержати інформацію про всі властивості. Використовують кілька методів аналізу.

Визначення хімічного складу.

Використовуються методи кількісного аналізу.

1. Якщо не потрібно великої точності, то використовують спектральний аналіз.

Спектральний аналіз заснований на розкладанні й дослідженні спектра електричної дуги або іскри, штучно порушуваної між мідним електродом і досліджуваним металом.

Запалюється дуга, промінь світла через призми попадає в окуляр для аналізу спектра. Колір і концентрація ліній спектра дозволяють визначити зміст хімічних елементів.

Використовуються стаціонарні й переносні стилоскопи.

2. Більше точні відомості про сполуку дає рентгеноспектральний аналіз.

Проводиться на мікроаналізаторах. Дозволяє визначити сполука фаз сплаву, характеристики дифузійної рухливості атомів.

Вивчення структури.

Розрізняють макроструктуру, мікроструктуру й тонку структуру.

1. Макроструктурний аналіз – вивчення будови металів і сплавів неозброєним оком або при невеликому збільшенні, за допомогою лупи.

Здійснюється після попередньої підготовки досліджуваної поверхні (шліфування й травлення спеціальними реактивами).

Дозволяє виявити й визначити дефекти, що виникли на різних етапах виробництва литих, кованих, штампованих і качаних заготівель, а також причини руйнування деталей.

Установлюють: вид зламу (грузлий, тендітний); величину, форму й розташування зерен і дендритів литого металу; дефекти, що порушують сплошность металу (усадочну пористість, газові міхури, раковини, тріщини); хімічну неоднорідність металу, викликану процесами кристалізації або створену термічною й хіміко-термічною обробкою; волокна в деформованому металі.

2. Мікроструктурний аналіз – вивчення поверхні за допомогою світлових мікроскопів. Збільшення – 50…2000 раз. Дозволяє виявити елементи структури розміром до 0,2 напівтемний.

Зразки - мікрошліфи із блискучою полірованою поверхнею, тому що структура розглядається у відбитому світлі. Спостерігаються мікротріщини й неметалічні включення.

Для виявлення мікроструктури поверхню труять реактивами, що залежать від сполуки сплаву. Різні фази протравлюються неоднаково й офарблюються по різному. Можна виявити форму, розміри й орієнтування зерен, окремі фази й структурні тридцятилітні.

Крім світлових мікроскопів використовують електронні мікроскопи з великою роздільною здатністю.

Зображення формується за допомогою потоку швидко, що летять електронів. Електронні промені з довжиною хвилі (0,04…0,12)·10-8см дають можливість розрізняти деталі об'єкта, по своїх розмірах відповідні міжатомним відстаням.

Просвітчасті мікроскопи. Потік електронів проходить через досліджуваний об'єкт. Зображення є результатом неоднакового розсіювання електронів на об'єкті. Розрізняють непрямі й прямі методи дослідження.

При непрямому методі вивчають не сам об'єкт, а його відбиток - кварцовий або вугільний зліпок (репліку), що відображає рельєф мікрошліфа, для попередження вторинного випромінювання, що спотворює картину.

При прямому методі вивчають тонкі металеві фольги, товщиною до 300 мм, на просвіт. Фольги одержують безпосередньо з досліджуваного металу.

Растрові мікроскопи. Зображення створюється за рахунок вторинної емісії електронів, випромінюваних поверхнею, на яку падає безупинно, що переміщається по цій поверхні потік, первинних електронів. Вивчається безпосередньо поверхня металу. Роздільна здатність трохи нижче, ніж у просвітчастих мікроскопів.

3. Для вивчення атомно-кристалічної будови твердих тіл (тонка будова) використовуються рентгенографічні методи, що дозволяють встановлювати зв'язок між хімічним складом, структурою й властивостями тіла, тип твердих розчинів, мікронапруги, концентрацію дефектів, щільність дислокацій.

Фізичні методи дослідження