5.1. Кристаллическое строение металлов и сплавов

Все физико-механические и технологические свойства металлов определяются видом металла и его кристаллическим строением. В твёрдом состоянии металлы и их сплавы в отличие от аморфных тел имеют кристаллическое внутреннее строение. Это означает, что атомы металлов располагаются в пространстве закономерно, в строго определённом порядке, образуя правильные геометрические формы, так называемые атомно-кристаллические решётки. В аморфных веществах (смола, стекло, битум, полимеры) атомы расположены беспорядочно. При нагревании аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние в широком интервале температур.

Кристаллическая решётка металла состоит из воображаемых линий и плоскостей, проходящих через точки расположения атомов в пространстве. Эти точки называются узлами кристаллической решётки. Пространственные фигуры, определяемые наименьшим количеством атомов и дающие полное представление об атомной структуре металла, называют элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллические решётки различных металлов различаются по форме и размеру элементарных ячеек. Большинство технических металлов образуют кубическую объемно-центрированную (рис.16,а), кубическую гранецентрированную (рис.16,б) или гексагональную (рис.16,в) кристаллические решётки, отличающиеся плотной упаковкой атомов.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решётки или её параметром. На рис.16 параметры решётки обозначены а и с. Период решётки выражается в нанометрах (1нм = 10-9см). Для большинства металлов период решётки находится в пределах 0,2…0,7 нм. В кубическом сантиметре объёма кристаллического тела содержится около 1022 атомов.

Атомы металлов в узлах кристаллической решётки находятся в постоянных колебательных движениях около положения устойчивого равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при некоторой температуре колебание частиц усиливается настолько, что кристаллическая решётка разрушается, т.е. металл расплавляется и переходит в жидкое состояние.

Рассматривая кристаллическую решётку металла, легко заметить, что различные кристаллографические плоскости заполнены атомами с различной плотностью. Это обусловливает различие физико-механических свойств отдельно взятого металла (монокристалла) в различных направлениях. Это свойство кристаллов называют анизотропностью. Например, при испытаниях различных образцов из кристалла меди относительное удлинение изменяется от 10 до 55%, а предел прочности – от 140 до 350 МПа.

Однако реальные металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множества кристаллов произвольной ориентировки. В результате свойства такого поликристаллического тела будут приблизительно одинаковы во всех направлениях.

Ярко выраженной анизотропией механических свойств обладает, например, древесина, у которой свойства вдоль и поперёк волокон резко отличаются. Хотя те же свойства в местах переплетения волокон (в сучках) приблизительно одинаковы.

Аморфные тела всегда изотропны, т.е. все их свойства одинаковы во всех направлениях.

Переход металла из жидкого состояния в твёрдое называется кристаллизацией. Русский учёный-металлург Д. И. Чернов (1839-1921) установил, что процесс кристаллизации начинается с зарождения центров (зародышей) кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров. В обычных условиях центрами кристаллизации могут быть различные примеси и включения, попадающие в металл в процессе выплавки. В начале кристаллизации, пока растущий кристалл окружён жидким металлом, он ориентируется и растёт свободно и имеет геометрически правильную форму. Разветвлённые кристаллы, образующиеся на ранней стадии кристаллизации, имеют древовидную форму и называются дендритными кристаллами, или дендритами (рис.17). В условиях медленного охлаждения дендриты могут вырасти достаточно больших размеров. В усадочной раковине 100-тонного слитка один из учеников Д. И. Чернова обнаружил дендрит длиной в 39 см. С повышением скорости охлаждения при кристаллизации размеры дендрита уменьшаются.

На более поздней стадии кристаллизации наблюдается столкновение и срастание растущих кристаллов, при этом их правильная форма нарушается. В результате затвердевший металл представляет собой поликристаллический конгломерат с различно ориентированными один по отношению к другому кристаллами неправильной формы, которые принято называть кристаллитами или зёрнами.

Размер зерна оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Чем меньше зерно, тем лучше комплекс механических свойств и более благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств. На размере зерна сказывается главным образом скорость охлаждения и число центров кристаллизации. Чем медленнее охлаждается расплавленный металл, тем крупнее зерно, следовательно, хуже свойства металла.

Избыточное количество активных центров кристаллизации можно получить путём воздействия на охлаждающийся расплав различными методами, например, ультразвуком или путём введения в жидкий металл небольшого количества (сотых долей процента) специальных добавок, называемых модификаторами. Полученные подобным образом сплавы имеют предельно мелкую кристаллическую структуру, в них не обнаруживается зёрен с древовидным очертанием ветвей. Зёрна с такой структурой можно получить и за счёт сверхбыстрой скорости охлаждения. Эти зёрна стали принято называть недендритными. Металлы и сплавы с принципиально новой недендритной структурой обладают высокой пластичностью, они легко поддаются обработке давлением, а изготовленные из них детали имеют повышенную надёжность и долговечность.

Реальные моно- и поликристаллы не обладают идеальной правильностью расположения атомов по всему объёму. В них встречаются различного рода структурные несовершенства, или дефекты, наибольшее количество которых наблюдаются по границам раздела зёрен. Поэтому прочность реальных металлов и сплавов значительно ниже теоретических значений прочности, рассчитанных с учётом межатомных сил металлических связей.

В последнее время внимание материаловедов привлекают так называемые металлические усы, представляющие собой бездефектные нитевидные монокристаллы всего несколько микронов толщиной. Физические и механические свойства таких усов в отдельных случаях приближаются к теоретически рассчитанным значениям.

Процесс кристаллизации изображается графически в координатах температура-время (рис.18). В отличие от аморфных тел, которые при понижении температуры затвердевают постепенно (рис.18,а), металлы в условиях сравнительно медленного охлаждения кристаллизуются при строго постоянной температуре Ткр (рис.18,б). Именно при этой температуре происходит изменение внутреннего строения металла: вместо беспорядочного расположения атомов в жидком металле происходит их упорядочение в соответствии с типом кристаллической решётки. Температура, при которой меняется внутреннее строение охлаждаемого и нагреваемого тела, называется критической температурой. У некоторых металлов после затвердевания могут происходить изменения кристаллической решётки. Температуры, соответствующие каким-либо превращениям в металле, называются также критическими точками. У аморфных тел внутренние превращения отсутствуют и поэтому кривая охлаждения таких материалов (рис.18,а) опускается плавно и не имеет критических точек.

Следует отметить, что действительная температура кристаллизации всегда несколько ниже теоретической. Разница между этими температурами называется степенью переохлаждения, которая зависит от скорости охлаждения, и чем быстрее охлаждается металл, тем ниже температура его кристаллизации. Наличие горизонтальной площадки на кривых охлаждения чистых металлов объясняется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации, которая и компенсирует имеющий место теплоотвод.

У некоторых металлов в твёрдом состоянии в зависимости от температуры или давления наблюдается изменение типа или параметров кристаллической решётки. Это явление называется аллотропией или полиморфизмом. Различные кристаллические структуры одного и того же металла называются полиморфными или аллотропическими модификациями. Те небольшие давления, которые используются обычно при обработке металлов, не приводят к полиморфным превращениям. Поэтому наибольший интерес для практических целей имеет главным образом температурная аллотропия. Температурным полиморфизмом обладают, например, железо, титан, олово, марганец и некоторые другие элементы.

Вследствие изменения структуры полиморфные превращения сопровождаются изменением механических, физических и химических свойств металла. Это обстоятельство широко используется в технике. Например, термическая и химико-термическая обработка стали основана на способности различных модификаций железа растворять углерод и легирующие элементы. Эти вопросы будут рассмотрены позже в соответствующих разделах курса.

Аллотропическую модификацию, устойчивую при самой низкой температуре, принято обозначать ?, при более высокой – ?, затем – ? и т.д., например Fe?, Fe?. Переход металла из одной аллотропической формы в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре и сопровождается или выделением тепла, если превращение протекает при охлаждении, или поглощением тепла в случае нагрева.

Некоторые металлы, например, медь, никель, серебро, алюминий, молибден не обладают полиморфизмом и их кристаллические решётки сохраняются во всём температурном диапазоне.

Долгое время считалось, что для металлов получение аморфного состояния невозможно, т.к. их расплавы мало склонны к переохлаждению подобно обычному стеклу. Однако при сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (>106 0С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой в научной литературе получили название аморфные сплавы или металлические стёкла.

Аморфное состояние металла обеспечивает ему свойства, значительно отличающиеся от свойств соответствующих материалов с кристаллической структурой. Так, металлы с аморфной структурой удачно сочетают высокую прочность, твёрдость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью.

Сверхвысокие скорости охлаждения можно реализовать, например, такими способами, как распыление мелких капель металла на холодную металлическую подложку, охлаждение струй металла газом или жидкостью с высокой охлаждающей способностью, центрифугированием капель или струй и др.

Тонкий аморфизированный слой образуется также при обработке поверхности металла лучом лазера.

Металлические материалы с аморфной структурой можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния, но и путём сверхбыстрого охлаждения из газовой среды (из парообразного состояния).

Естественно, что аморфное состояние неустойчиво и нагрев металла, когда тепловая подвижность атомов достигает определённого предела, приводит к образованию кристаллов. Смесь выделившихся при этом кристаллов и аморфной основы даёт новую структуру с уникальными физико-механическими свойствами. Исследования в этой области интенсивно ведутся в три последних десятилетия.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008