Вивчивши матеріали цього розділу, учні знатимуть:

• визначення процесу кристалізації металів;

• умови росту кристалів залежно від швидкості охолодження;

• особливості дендритної кристалізації за умов прискореного охолодження;

• процес регулювання розмірів зерен за рахунок штучного введення в розплавлений метал речовин, які утворюють центри кристалізації.

1. Процес кристалізації - це процес утворення кристалів. Доки метал перебуває у рідкому стані, атоми перебувають у стані безперервного руху. Із наближенням до температури затвердіння ще в рідкому стані атоми в окремих місцях розташовуються в просторі так само, як і в кристалічних решітках, утворюючи атомно-кристалічні групи. Деякі з таких груп можуть бути центрами кристалізації. Від них починається ріст кристалів шляхом нарощування по гранях атомних шарів.

2. При сталій швидкості кристалізації і сталій швидкості зародження центрів кристалізації в перший момент кристали ростуть вільно, зберігаючи правильну геометричну форму.

3. Однак це відбувається лише до моменту зустрічі двох кристалів, які зростають. У тому місці, де вони зустрінуться, ріст припиниться. Тепер кожний кристал ростиме лише в тому напрямку, в якому йому не перешкоджає поруч розташований кристал. За цих умов правильна геометрична форма кристала не зберігається. Такі кристали, що мають неправильну геометричну форму, називають зернами.

4. Такі умови утворення росту кристалів спостерігаються лише при дуже повільному охолодженні. За умов прискореного охолодження, що мають місце в більшості випадків практичної кристалізації металів, механізм утворення кристалів зерен має інший характер, так званий дендритний.

5. Дендритна (скелетоподібна) кристалізація полягає в тому, що ріст зародків відбувається з нерівномірною швидкістю в усі боки. Після утворення зародки ростуть переважно в напрямках, у яких швидкість росту максимальна. Утворюється немовби стовбур майбутнього кристала, так звані осі (гілки) першого порядку. Ріст цього стовбура або осі першого порядку відбувається шляхом кристалізації на ньому все нових і нових атомних шарів із рідини.

6. Збільшення осей першого порядку відбувається, зазвичай, не лише вздовж, одночасно вони розростаються у різні боки, внаслідок чого вони товстіші біля основи і тонші біля вістря.

7. Далі від цих осей першого порядку, під певними кутами, ростуть нові осі, які називаються осями другого порядку, від гілок другого порядку починають рости гілки третього порядку і т. д.

8. Однак у міру кристалізації утворюються гілки щодалі вищого порядку (четвертого, п'ятого, шостого і т. д.), які поступово заповнюють усі проміжки, раніше заповнені рідким металом.

9. Чим більше центрів кристалізації (зачатків) утворюється у певному об'ємі, тим більше буде зерен, але кожне наступне зерно буде меншим. Чим швидше ростуть ці зародки, тобто чим більша швидкість росту кристалів, тим меншою буде кількість зерен, а кожне зерно буде більшим.

10. Треба зазначити, що можливість регулювання швидкості охолодження у процесі кристалізації дуже обмежена. З метою регулювання розмірів зерен широко застосовують штучне введення у розплавлений метал речовин, які утворюють центри кристалізації. Тугоплавкі дрібні частинки, що є додаткови-

ми центрами кристалізації, - це найбільш прогресивний і дійовий метод регулювання розмірів зерен, їхньої форми, а отже, і властивостей металів і сплавів. Наприклад, чим дрібніше зерно, тим кращі механічні властивості має метал, і навпаки.

11. Процес штучного регулювання розмірів і форми зерен одержав назву модифікування. Речовини, які вводять у розплав із метою регулювання розмірів зерен, називають модифікаторами. Якщо перед кристалізацією ввести у сталь дуже малу кількість алюмінію (0,05-0,07 %), то він, сполучаючись із киснем, який є у сталі, утворює окис алюмінію АІ₂0₃, температура плавлення якого дорівнює 2050 °С. Отже, коли сталь перебуває ще в рідкому стані, при температурі 1600-1700 °С, тверді частинки АІ₂0₃ опиняться розсіяними по всьому об'єму рідкої сталі. У момент затвердіння сталі частинки АІ₂0₃ відіграють роль центрів кристалізації, що призведуть до утворення дрібних зерен.

12. Однорідне тіло (кристал) у різних напрямках має неоднакові фізичні властивості (анізотропія). Теплопровідність, електропровідність, міцність та інші властивості теж у різних напрямках неоднакові. Анізотропія кристалів пояснюється тим, що в них у різних напрямках на одиницю довжини припадає неоднакова кількість атомів. Метали є полікриста-лічними речовинами, які складаються з великої кількості дрібних монокристалів, безладно розміщених один щодо одного.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Дайте визначення кристалізації металів.

2. Опишіть утворення кристалів при дуже повільному охолодженні.

3. Яка послідовність утворення дендритів?

4. Що таке гілка першого та другого порядку при кристалізації?

5. Яку роль у кристалізації відіграє кількість центрів кристалізації?

6. Що таке модифікація?

Це матеріал з підручника "Матеріалознавство та технологія металів" Власенко 2019