9. Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Причиной кристаллизации является стремление системы перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией, т. е. когда свободная энергия кристалла меньше, свободной энергии жидкой фазы. Переход металла из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением его свойств.

Кристаллизация металлов, как впервые установил Д. К. Чернов в 1878 г., состоит из двух одновременно проходящих процессов: зарождения в жидком металле центров кристаллизации (ч.ц.) и роста кристаллов из этих центров (с.к.).

Предположим, что на площади за секунду возникает пять зародышей будущих кристаллов, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй они выросли и одновременно с этим возникли еще пять новых зародышей. Так, путем возникновения зародышей и их роста идет процесс кристаллизации до тех пор, пока не исчерпается вся жидкая фаза металла, т. е. кристаллизация закончится на седьмой секунде. В процессе кристаллизации, пока кристаллы окружены жидкостью, они имеют геометрически правильную форму и отличаются друг от друга размерами и ориентировкой. При соприкосновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и их называют кристаллитами или зернами.

Ответственные детали грузоподъёмных машин необходимо изготавливать из металлов с правильной кристаллизацией.

Размер образовавшихся кристаллитов определяется соотношением скорости кристаллизации и числа центров. При большом значении с.к. и малом значении ч.ц., например образуется крупнокристаллическая структура. При малом значении с.к. и большом значении ч.ц. образуется мелкокристаллическая структура. Величина зерна зависит от температуры нагрева и разливки жидкого металла, его химического состава, наличия в нем посторонних примесей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно.

Использование специально вводимых в жидкий металл примесей для получения мелкого зерна получило название модифицирования. В качестве модификаторов алюминиевых сплавов применяют ванадий, натрий, калий, титан; в качестве модификаторов сталей - алюминий, ванадий, титан; в качестве модификаторов чугуна - магний и церий. Уменьшение величины зерен при кристаллизации сопровождается значительным повышением механических свойств металла (предела прочности, твердости и др.).

10. Физические свойства. Цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность.

К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной дли-ной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий -- серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот-ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м³) и тяжелые. Плотность имеет боль-шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре-мятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) V легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера-тура плавления имеет большое значение при вы-боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче-ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду-сах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, спо-собность металлов передавать тепло от более на-гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб-ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность при-мерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де-талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу-ются трещины. Некоторые детали машин (порш-ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из-готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).