Кристаллизация металлов и сплавов.
Кристаллизацией называется переход из жидкого в твердое состояние с образованием кристаллических решеток или кристаллов. В реальных металлических телах кристаллизация расплавов заканчивается образованием структуры сложно переплетенных кристаллов - дендритов. Их морфология определяет свойства материалов. При образовании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном плоскостям с максимальной
плотностью упаковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка. Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним такие же ветви второго порядка в свою очередь на них растут оси третьего порядка и т.д. Образуются кристаллы древовидной - дендритной формы. Преимущественный рост кристалла происходит в направлении отвода тепла. Ветви дендритов разделены очень тонкими прослойками нерастворимых в жидком и особенно в твердом состоянии примесей и мельчайшими полостями и порами, возникшими в результате уменьшения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое. При tпл, определенной для каждого металла, твердый металл переходит в жидкий. Многие свойства при этом меняются незначительно. Например, плотность падает на 5-7% , электропроводность и теплопроводность возрастают. Характер внутренних сил не изменяется. Металлическая жидкость по своему строению близка к твердому телу. Кристаллическая решетка сохраняется до температуры плавления. После расплавления решетка разрушается, но сохраняется динамический ближний порядок. Затвердевание происходит при температуре tзатв, она меньше tпл. Существует переохлаждение и перенагрев рис.6
Рис. 6. Изменение свободной энергии F металла в жидком (F ж) и твердом состоянии (F т) в зависимости от температуры T.
Рис. 7. Кривые охлаждения полученные при кристаллизации металла.
Рис. 8. Зависимость скорости образования центров n и скорости роста кристаллов С от переохлаждения. При температуре Тп величины свободных энергий жидкого и твердого состояния равны.
Вопросы для самостоятельной работы.
Основные положения процесса кристаллизации металлов и сплавов, их влияния на свойства металлов. Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.
Контрольные вопросы к лекции №2
1. В чем принципиальное отличие кристаллических веществ от аморфных?
2. Какие типы химических связей Вы знаете?
3. На чем основано явление полиморфизма?
4. В чем отличие реальных кристаллов от идеальных?
5. Как влияют дефекты кристаллической структуры на свойства металлов?
6. Какую форму будут иметь кристаллы при наличии направленного теплоотвода?