Формирование структуры металлов и сплавов

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Таким образом кристаллизация представляет собой два процесса образования центров кристаллизации и их последующего роста. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму, вновь образованные зародыши окружены расплавленным металлом, который является строительным материалом для их роста. При этом процессы образования зародышей и их роста протекают независимо. По мере снижения объема жидкой фазы происходит столкновение фронтов роста кристаллов и правильная форма нарушается.

В местах столкновения процессы роста резко затормаживаются, зато увеличиваются процессы роста в других направлениях. В результате образуется структура с кристаллами неправильной формы - зернами (кристаллитами). Из за сокращения объема жидкой фазы скорость роста начинает снижаться также снижается и скорость образования зародышей.

Скорость обоих процессов характеризуется единым показателем - скоростью кристаллизации. Чем ниже температура кристаллизации, тем меньше критический размер зародыша, тем больше число центров кристаллизации (ч.ц.) образуется в единицу времени, тем больше скорость их роста (с.к.).

Строение металла зависит от скорости процессов кристаллизации, от числа центров кристаллизации, возникающих в единицу времени и в единице объема (мм^-3∙с^-1) и скорости их линейного роста (мм/с). Г. Тамман установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения DТ.

При DТ = 0 процесса кристаллизации не происходит, скорости образования зародышей и их роста равны нулю. При DТ = а число центров кристаллизации небольшое, а скорость их роста максимальна. В этом случае структура металла будет крупнозернистой. При DТ = в число центров - максимально, а скорость их роста мала. Структура металла - мелкозернистая.

При больших степенях переохлаждения DТ = с скорость кристаллизации и число центров равны нулю. Подвижность атомов уже недостаточна для того, чтобы осуществлялась перестройка их из хаотического расположения в жидкости в правильное как в кристалле. Структура металла - аморфная.

Материалы аморфного строения и их применение

К материалам аморфного строения принадлежат стекла из неорганических веществ, металлов и некоторые виды пластмасс. Аморфное состояние характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов упаковки.

Наибольший применение у неорганических стекол. Основной химический состав конструкционных стекол: двуокись кремния и алюминия с добавками ангидридов бора, фосфора и двуокисей металлов - титана, ванадия и циркония. Среди машиностроительных материалов наибольшее применение получили безосколочные, тугоплавкие, термостойкие и упрочненные стекла. Неорганическое стекло, получаемое при застывании минерального расплава в результате непрерывного увеличения его вязкости, в отличии от других материалов имеет макроскопическое изотропное аморфное строение, в той или иной мере прозрачно и обладает механическими свойствами твердого тела.

В интервале температур Tg - Tf свойства стекла скачкообразно изменяются. Стекло относится к термодинамически неустойчивым системам. При температуре Tg стекло склонно к кристаллизации. Металлические стекла по химическому составу состоят из металлов и элементов аморфитизаторов, в качестве которых используют бор, углерод, кремний, азот и другие вещества.

Тонкое исследование строения стекол свидетельствует о их микронеоднородной структуре. Стекло по сравнению с кристаллическим веществом не имеет определенной точки плавления; будучи нагретым, оно постепенно размягчается, переходя из твердого хрупкого состояния в высоковязкое, и затем в жидкое (стекломассу). При понижении температуры вязкость стекла непрерывно возрастает и происходит обратный переход в твердое хрупкое состояние.

Аморфное состояние металла достигается сверхбыстрым охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния. Основным методом получения МС является закалка из жидкого состояния, фиксирующая структуру расплава. Особенность МС сочетание высокой твердости и прочности, с высокими упругими свойствами. Обычные стекола обладают твердостью и относительно низкая прочностью. МС можно штамповать, резать и прокатывать. Аморфное состояние МС является метастабильным. При температурах отжига, превышающей (0.4-0.65) Тпл материал кристаллизуется. Для получения аморфных металлов нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду. Это достигаются при разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Толщина пленки аморфного металла достигает нескольких микрометров (до 60 мкм) и ширины 200 мм, или проволоки диаметром 0,5...20 мкм. Другой вариант - прокатка тонкой струи расплава между двумя массивными медными валками, расплющивающие капли жидкого металла. При нагреве аморфный металл может, при достаточной подвижности атомов образовать кристаллическое строение.

Аморфный металл обладает рядом уникальных свойств из-за отсутствия границ зерен и дефектов кристаллического строения. Прочность их превосходит самые лучшие легированные стали (~3000 МПа). Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Пластичность аморфных металлов низка, но выше, чем у обычного стекла. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре. Другое важнейшее преимущество - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих агрессивных средах (морской воде, кислотах) они вообще не коррозируют. Аморфные сплавы на основе черных металлов (железа, никеля) также обладают ферромагнитными свойствами. Электросопротивление их гораздо выше, чем кристаллических (обычно в 2...3 раза). Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Аl, Рb, Sn, и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Co, Fe, Mn, Cr к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, B, As, S и др. Аморфные сплавы например на основе железа Fe₈₀B₂₀, Fe₈₀P₁₃C, Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈; на основе никеля Ni₈₂P₁₈, Ni₈₀S₂₀.

Перспектива практического использования аморфного состояния металлов значительна. Уже создана аморфизация тонких поверхностных слоев массивных изделий. При воздействии на поверхность изделия мощного лазерного или электронного луча удается в короткое время расплавить очень тонкий наружный слой, который после прекращения воздействия остывает с огромной скоростью за счет отвода тепла в толщу холодного металла. Таким образом, обычный металл, можно будет надежно защитить от износа и коррозии.

Пластические массы в большинстве случаев аморфные тела. Существует три различных аморфных состояния - стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее; и две температуры, при которых свойства пластмасс резко изменяются. Тс - температура стеклования и выше ее температура вязкотекучего состояния -Тт.

Пластические массы кристаллизуются при длительных отжигах и деформационных процессах по механизму ориентации полимерных цепей и или звеньев в одной плоскости или направлении. Аморфные материалы являются перспективными машиностроительными материалами. МС применяются для изготовления пружин. Стекла - для изделий с оптическими свойствами. Пластические массы как конструкционные материалы. Применение аморфных материалов в основном сдерживается их узким и низким температурным интервалом эксплуатации.

Дата добавления: 2014-01-11