Гуляев А.П. - Металловедение 1986 (Гуляев А.П. - Металловедение), страница 9

631 с. Штремела М. А. Прочность сплавов. Дефекты решетки. Мл Металлургия, 1982. 278 с. Металловедение н термическая обработка стали: Справочник, т. 1. Под ред. Бернштейна М. Л. и Рахштадта А. Г. Мл Металлургия, 1983. 352 с. Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения металлов. Мл Металлур- гия, 1983. 23! с. Орлов А. Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах.

Мл Высшая школа, 1983. 145 с. Контроль качества термической обработки: Справочник (Под ред. Кальнера В. Д. М.; Машиностроение, 1984. 288 с. Вонсоэлкий С. В., Кацкельсок М. И. Квантовая физика твердого тела. Мл Наука, 1983. 336 с. Баррет Ч., Массальский Т. Структура металлов: Пер. с англ. Мл Металлургия.

1984. 685 с, 37 Глава !1 КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ 1. Три состояния вещества Любое вещество, как известно, может находиться в трех агрггагпмых состояниях: газообразном, жидком и твердом. В чистых металлах прн определенных температурах происходит изменение агрегатного состояния: твердое состояние сменяется жидким при температуре плавления, жидкое состояние переходит в газообразное при температуре кипения. Температуры перехода зависят от давления (см.

рис. 2), но при постоянном давлении онн вполне определенны. Температуры перехода наиболее распространенных в технике металлов для давления 0,1 МПа приведены в табл. 9. Т а б л и и а 9. Некоторые свойства важнейших металлов макй Е'~ и е,о 8„„" Ы и е. тем»со»тура, 'с и .м ао иш им 2 г <а Номер алемемта в нерио. Линескор системе Кристалл»- »сека» решетка оа о н о Ъ к ми с Е и о о. ош а й зле мент нлаа- кииелении нии Температура плавления — особенно важная константа свойств металла.

Она колеблется для различных металлов в весьма широких пределах — от минус 38.9 "С для ртути — самого легкоплавкого металла, находящегосн при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3410'С для самого ту оплавкого металла— вольфрама, 38 Ве Мй А1 Т1 Ч Сг Мп ге Со ки Сп Еп 2г ХЬ Мо Ай бп ЧЧ Ап На РЬ 4 12 13 22 23 24 25 26 27 28 29 30 40 41 42 47 50 74 79 80 82 92 Г12 Г12 К12 Г12, КВ КВ КВ Сложная КВ, К12 Г12, К12 К12 К!2 Гб Г!2, КВ КВ КВ К!2 Алмаза К4 КВ К!2 Гб К12 Сложная 0,113 0,160 0,143 0,145 0,136 0,128 0,131 0,127 0,126 0,124 0,128 0,137 0,160 0,147 0,140 0,144 0,158 0,14! 0,144 0,155 0,175 О,!55 1.82 1,74 2,70 4,50 5,96 7,14 7,46 7,86, 8,9 8,90 8,92 7,14 6,52 8,5 10,2 10,5 7,29 19,3 19,3 13,51 11,3 19,0 1284 651 660 1660 !700 1850 1244 1539 1480 1455 1083 419 1860 2450 2625 960 232 34!О 1063 — 38,9 321 1133 2910 1110 2500 3260 3000 2470 2150 2880 3135 3080 2300 907 3580 3700 4800 1950 2430 5500 2600 357 !750 3927 12,2 25,7 23,1 7,14 8,3 6,2 22,1 11.5 12,5 13,5 '16,5 32,5 .

6,23 1,2 4,9 18,9 46,6 4,3 14,2 28,1 23 140 30 20 80 260 100 200 70 50 60 35 35 100 80 150 25 5 300 19 4 240 Низкая прочность (твердость) при комнатной температуре легкоплавких ме. галлов (олова, свинца и т. д.) является следствием главным образом того, что комнатная температура для »тих металлов менее «удалена» от температуры плавления, чем у тугоплавких металлов '. 2.

Энергетические условия процесса кристаллизации При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией. Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах? В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Поясним примером.

Тяжелый шарик из положения 1 (рис. 25) стремится попасть в более устойчивое положение 2, так как по- 2 тенциальная энергия в положении 2 меньше, чем в положении 1. Энергетическое состоякие системы, Рис. зз имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов, молекул), характеризуется особой термодннамической функцией Р, называемой свободной энергией ' (свободная энергия г = У вЂ” Т5, где У вЂ” внутренняя энергия системы; Т вЂ” абсолютная температура; 5 — энтропия). Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше («подобно» шарику, который скатывается из положения 1 в положение 2, если на пути нет препятствия). С изменением внешних условий, например температуры, свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и кристаллического состояний.

Схематически характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с температурой показан на рис. 26. Выше температуры Т, меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Т, — вещество в твердом со- » Чтобы сравнить свойства различных металлов, испытания проводят при так называемых схадскмгккь«х (гамолагических) температурах, составляюпЕнх одинаиовую далю от абсолютной температуры плавления (например, 0,5 от абсолютной температуры плавлении будет для свинца 227 'С, для железа 63) 'С, при зтих температурах свойства свинца и железа довольно близки).

° Прн участии в процессах газообразной фазы приходится вводить в расчеты более сложную величину — тгрмадикамичгский потенциал системы. Но процесс кристаллизации, в котором газообразная фаза не участвует, вполне может быть охарактеризован свободной зиергней. 39 стоянии. Следовательно, выше Т, вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т, — в твердом, кристаллическом. Очевидно, что при температуре, равной Т„свободные энергии жидкого и твердого состояний равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.

Эта температура Т, и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации. Однако при Т, не может происходить процесс кристаллизации (плавление), так как при данной температуре г = Рнр и процесс гч й еь ь ьь а ь ф е сг Г г температура ерема Рнс. Вб. Иаиенение сеободмоа енергмм жидкого И) н крмсталлмееского (М состомнаа ° анан. снмостн от теннеретурм Рнс. И.

Кринке оклаждениа нрн кристаллиаамма кристаллизации (плавления) не может идти, так как при равенстве обеих фаз это не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Для начала кристаллизации необходимо. чтобы процесс был термодинамически выгоден системе н сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Из кривых, приведенных на рис. 26 видно, что это возможно только тогда, когда жидкость будет охлаждена ниже точки Т,.

Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической оммпературой кристаллизации. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением. Указанные причины обусловливают и то, что обратное превращение из кристаллического состояния в жидкое может произойти только выше температуры Т;, это явление называется переиагрееакием.

Величиной или степенью переохлаждения называют разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации. Если, например, теоретическая температура кристаллизации сурьмы равна 631 'С, а до начала процесса кристаллизации жидкая сурьма была переохлаждена до 590'С и при этой температуре закристаллизовалась, то степень переохлаждения л определяется разностью 631 — 590 =.

41 'С. Процесс перехода металла нз жндкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время — температура (рнс. 27). Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры н может быть названо простым охлажденнем, так как прн этом нет качественного изменения состояния. Прн достижении температуры кристаллизации на кривой температура — время появляется горнзонтальная площадка (крнвая 1, рнс. 27), так как отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллнзацин скрытой теплотой кристаллизации.

По окончания кристаллизации, т. е. после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает снижаться, и твердое кристаллическое вещество охлаждается. Теоретически процесс кристаллизации изображается кривой 1. Кривая 2 показывает реальный процесс кристаллизации. Жидкость непрерывно охлаждается до температуры переохлаждения Т„лежащей ниже теоретической температуры кристаллизации Т,.

При охлажденнн ниже температуры Т, создаются энергетические условия, необходимые для протекания процесса крнсталлизацнн. У некоторых металлов нз-за большого переохлаждения скрытая теплота плавлення выделяется в первый момент кристаллизации настолько бурно, что температура скачкообразно повышается, приближается к теоретической (крнвая 3, рнс. 27). Так кристаллизуется, например, сурьма. Чем больше скорость охлаждения, тем больше величина переохлаждения. Для того, чтобы полностью переохладнть металл в жидком состоянии требуются большие скорости охлаждения (миллионы н даже миллиарды градусов в секунду), охлаждение жидкого металла до комнатной температуры следует проводить так, чтобы получнть переохлажденный жидкий металл (т. е. металл, не имеющий кристаллического строения) за ничтожную долю секунды.

Такой металл называется аморфным нли металлическим стеклом, который начинает применяться на практике. 3. Механнзм процесса крнсталлнзацнн Вше в 1878 г. Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов называл «зачатками», а теперь их называют зародышами, илн центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов нз этих центров.

Снстематнческое исследованне процесса образованна центров кристаллизация и нх роста вначале на прозрачных органнческнх веществах, а затем и металлах было проведено Г. Тамманом. Им установлена в общем виде завнснмость между чнслом центров крнсталлнзацнн, скоростью роста н степенью переохлаждення.Однако бо. лее позднне исследования процессов крнсталлнзацин, особенно исследования А. А. Бочвара, К. П.