Основы термической обработки - Крупицкий В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Такие металлы, как медь, алюминий, никель, имеют кристаллическую решетку куба с центрированными гранями, элементарная ячейка которой представлена на рис. 12 в. Приведенная элементарная ячейка состоит из 14 атомов; 8 из них расположены по углам куба и 6 — в центре каждой из его шести граней; в центре куба атома нет. Железо может иметь и тот и другой тип кристаллической решетки. Встречаются и другие типы кристаллических решеток.
14
Свойства металлов зависят не только от типа решетки, но и от расстояния между атомами в ней. Это расстояние, как и другие размеры кристаллической решетки, измеряется в ангстремах. Ангстрем
- это одна десятимиллионная часть миллиметра. У большинства металлов расстояние между атомами колеблется в пределах от 2,8 до 6 ангстрем. Расстояние между
атомами железа при комнатной температуре равно 286
миллиардным долям миллиметра. Ввиду того, что атомы представляют собой мельчайшие частицы (например, на отрезке длиной в 1 см можно разместить в один ряд 33 миллиона атомов железа), увидеть их или хотя бы кристаллическую решетку в целом невозможно даже при помощи самых сильных микроскопов. Тип кристаллической решетки и расстояние между атомами могут быть установлены лишь с помощью рентгеновых лучей.
Рис. 13. Кривая охлаждения чистого металла
МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ.
Любой кусок металла состоит из огромного количества кристаллов, плотно примыкающих друг к другу. На свойства металлов влияют не только порядок расположения атомов внутри кристалла, но и форма отдельных кристаллов, их размеры и направление. Эти факторы оказывают особенно большое влияние на механические свойства металлов.
Если порядок расположения атомов (тип кристаллической решетки) является природным свойством металла, то форма кристаллов и их размеры определяются процессом перехода металла из жидкого состояния в твердое. Так как образование кристаллов происходит при затвердевании металла, то этот процесс называют кристаллизацией. Управляя процессом кристаллизации, можно получить кристалл желаемой формы и размеров. Жидкий металл отличается от твердого тем, что атомы в нем расположены беспорядочно и легко смещаются относительно друг друга, вследствие чего жидкость течет. В твердом металле атомы располагаются в правильном порядке, образуя кристаллические решетки, где атомы оказываются уже крепко связанными друг с другом. Чтобы разрушить такую решетку, надо приложить внешние усилия.
Процесс образования кристаллов сопровождается выделением тепла, и, наоборот, переход металла из твердого состояния в жидкое сопровождается поглощением тепла. Эти явления можно наблюдать, если через определенные промежутки времени (10 - 20 сек.) измерять температуру жидкого металла. При охлаждении жидкого металла температура вначале будет падать равномерно. Когда же начнется образование кристаллов, то вследствие выделения скрытой теплоты при формировании кристаллической решетки падение температуры прекратится, и она останется неизменной до полного затвердевания металла. После того как весь металл затвердеет, температура снова начнет понижаться. Это изменение температуры во времени можно выразить графически, откладывая в определенном масштабе по горизонтальной оси время, а по вертикальной оси — температуру, при этом получится кривая охлаждения металла. Температура, соответствующая горизонтальному участку кривой охлаждения, и будет температурой затвердевания данного металла. Ее называют критической температурой. Кривая охлаждения чистого металла приведена на рис. 13. Механизм процесса кристаллизации изучался многими учеными. На основании многолетних
15
исследований литой стали Д. К. Чернов еще в 1878 г. указывал, что процесс кристаллизации металлов подобен кристаллизации солей и состоит из двух элементарных процессов, которые протекают одновременно. Первый процесс заключается в образовании центров кристаллизации, или зародышей кристаллов (Д. К. Чернов называл их зачатками), второй процесс - в росте кристаллов из этих центров. Последовательные этапы процесса кристаллизации схематично показаны на рис. 14. Первый этап (рис. 14, а) - появление зародышей кристаллов. При дальнейшем остывании металла к этим зародышам присоединяются всё новые атомы, которые группируются в определенном порядке один возле другого (рис. 14, б и в) образуя элементарные ячейки кристаллической решетки (элементарная ячейка изображена в виде квадратика). Этот процесс продолжается до тех пор, пока выросшие кристаллы не заполнят весь объем металла (рис. 14, г).
ЦЬнтры кристаллизации
Рис. 14. Последовательные этапы процесса кристаллизации (схема)
Как видно из представленной схемы, кристаллы затвердевшего металла имеют неправильную и весьма разнообразную внешнюю форму. Это объясняется условиями кристаллизации.
о
В процессе кристаллизации одновременно растет много кристаллов. В 1 см может образоваться до 1000 и более кристаллов. И вот наступает такой момент, когда грани смежных кристаллов соприкасаются. В точках соприкосновения рост кристаллов прекращается. Поэтому, несмотря на правильное внутреннее строение кристаллов, они имеют самую разнообразную внешнюю форму, в зависимости от числа соседних кристаллов и направления их роста. Кристаллы, имеющие неправильную внешнюю форму, называются кристаллитами, или зернами.
