5.2. Типы кристаллической решетки.

В зависимости от расположения атомов металлов в пространстве различают следующие типы наиболее распространенных кристаллических решеток:

– кубическую объемно-центрированную (ОЦК) (атомы расположены в углах и центре куба) (рис. 5.3, а);

– кубическую гранецентрированную (ГЦК) (атомы расположены в углах куба и в центрах граней) (рис. 5.3, б);

– гексагональную плотноупакованную (атомы расположены в углах и в центрах шестигранных оснований призмы и три атома – в средней плоскости призмы) (рис. 5.3, в).

а)	б)	в)
Рис. 5.3. Основные виды кристаллической решетки а – кубическая объемно-центрированная; б – кубическая гранецентрированная; в – гексагональная плотноупакованная

Кубическую объемно-центрированную решетку из 9-ти атомов имеют α-железо, Cr, V и др. Кубическую гранецентрированную из 14-ти атомов – γ-железо, Al, Cu, Ni, Pb, и др. Гексагональную плотноупакованную из 17-ти атомов – Zn, Mg, Ti и др.

5.3. Особенности строения кристаллических тел.

К особенностям кристаллического строения металлов относят зернистость и анизотропность.

Зернистость структуры – это проявление кристаллического строения металлов и их сплавов. Образование зерна происходит в процессе охлаждения расплавленного металла.

Кристаллическое строение хорошо наблюдается на изломе. Причем, легкие металлы и их сплавы имеют мелкозернистую структуру, которую можно увидеть только в микроскоп.

В разных кристаллографических плоскостях, проведенных через центры атомов в кристаллических решетках, число атомов и расстояние между ними неодинаковы.

Например, в плоскости, проведенной через основание гексагональной решетки, размещаются семь, а в плоскости ее грани – четыре атома.

В связи с этим свойства кристаллов в разных направлениях неодинаковы. Это явление называется анизотропией. Анизотропия проявляется в неодинаковости сопротивления электрическому току, отличии механических свойств и др.

Реальные металлы являются телами поликристаллическими, т.е. состоящими из большого числа по-разному ориентированных в пространстве кристаллов (зерен). Поэтому свойства таких металлов в любом направлении усредненно-одинаковые. В случае, когда обработка металлов благоприятствует ориентированию отдельных кристаллов (при ковке, прокатывании), поликристаллические металлы становятся также анизотропными. Так, прочность образцов, вырезанных из листа вдоль направления прокатывания, выше прочности образцов, вырезанных поперек прокатывания.

5.4. Общая характеристика первичной кристализации.

Первичная кристаллизация малоуглеродистой стали происходит при температуре 1500 - 1520 (при нормальном давлении) в процессе перехода ее из жидкой фазы в твердую. При этой температуре перемещение атомов железа в жидкой фазе становится уже несколько затрудненным вследствие уменьшения числа пустых узлов и полостей жидкой фазы, и возникают довольно длительные задержки, достаточные для того, чтобы вокруг задержаного атома сгруппировались соседние. Эти задержанные атомы являются очагами или зародышами кристаллизации (рис. 5.4).

Наличие в жидкости мелкодисперсной твердой фазы, например алюминатов или силикатов, особенно при неровной поверхности последних, вследствие адсорбционной способности их резко увеличивает число задержанных атомов и число очагов кристаллизации, что, как известно, используется для получения мелкозернистой стали. Ячейки твердой фазы сами задерживают движения атомов жидкой фазы и обрастают новыми ячейками.

Группировка атомов, переход их в более устойчивое положение, связаны с выделением энергии и повышением колебаний атомов вокруг более неподвижных своих положений (тепловой эффект кристаллизации, так называемая скрытая теплота застывания).

Рис. 5.4. Схема образования кристаллических зерен

Выделяющееся тепло поддерживает температуру слитка во время кристаллизации на примерно постоянном уровне. Нарастание первичных кристаллов происходит в преимущественном направлении отвода тепла в слитке (от поверхности к центру) (рис. 5.5); на образовавшемся кристалле нарастают утолщения и ответвления, и в результате кристалл получает древообразную (дендритную) форму (рис. 5.6). Наросты постепенно заполняют все пространство между ветвями, и дендрита, и рост кристаллов ограничивается соседними кристаллами, образовавшимися из соседнего очага кристаллизации.

Рис. 5.5. Макроструктура слитка стали в двух сечениях

При малом количестве очагов кристаллы могут получиться достаточно крупными, вытянутой перпендикулярно оси слитка формы (рис. 5.6). В центре слитка между дендритами образуются более округлые формы различной ориентации. С увеличением скорости остывания слитка скорость кристаллизации увеличивается и зерно получается более крупным. В соответствии с этим литой металл получается анизотропным, с пониженными механическими характеристиками.

Рис. 5.6. Схема последовательного роста кристаллов

Однако, как показывает сварка, при малом объеме слитка дендритная форма кристаллов не противоречит возможности получения механических качеств, соответствующих качеству прокатного металла. При застывании металл подвергается значительным растягивающим воздействиям, связанным с притяжением к различным очагам кристаллизации и сокращением объема; между тем застывающий металл не обладает большой пластичностью; поэтому при застывании нередко появляются трещины. Они имеют особое значение при малых количествах литого металла, непосредственно связанного с холодным (горячие трещины при сварке).