Плавление и кристаллизация металлов и сплавов

Плавление и кристаллизация металлов и сплавов

Гаврилин И.В.

Владимирский гос. ун-т, 2000 г.

 Предплавление

Рассмотрим процессы, предшествующие плавлению в металлах. Известно, что все свойстваметаллов меняются в зависимости от температуры. В широком смысле совокупность изменений всех свойствметаллов с ростом температуры и есть предплавление, поскольку все они так или иначе отражают изменения в равновесии элементов вещества и пространства в твердом состоянии, приводящие в конце концов к плавлению.

Любое агрегатноесостояние содержит в себе возможность перехода в другое агрегатное состояние. И если агрегатноесостояние есть форма распределения взаимодействующих элементов вещества в пространстве (и наоборот), то фазовые переходы - это переходы от одной формы распределения элементов вещества в пространстве к другой.

Однако такое определение имеет чересчур общий характер. Оно определяет общее для всех фазовых переходов содержание, что тоже достаточно важно, но не раскрывает конкретного механизма интересующих нас процессовплавления и кристаллизации. Механизм каждого вида фазовых исходов имеет свои особенности, поскольку каждой формевещества соответствует своя форма пространства. Эти особенности и предстоит вылить для процессовплавления и кристаллизации. Поэтому выделим процессы, наиболее прямо связанные с подготовкой плавления в твердом состоянии и прямо отвечающие за Механизм этого процесса.

Выше установлено, что характерной формой элементов пространства в кристаллической решетке твердых металлов являются вакансии. Вакансии в кристаллической решеткеметаллов движутся и это движение подобно движениюмолекулвещества в газах: оно хаотично и ускоряется с ростом температуры. Поведение вакансий в металлах описывается теми же выражениями, что и поведение частиц в газах, с той существенной разницей, что скоростидвижениявакансий в твердых металлах намного ниже, чем скорости частиц в газах, а траектория движения структурируется кристаллической решеткой. Но это отличия количественные, а в качественном плане вакансии в твердых металлах образуют такой же газ элементов пространства в веществе, какой образуют атомы и молекулы в газах.

Поэтому в физике существует понятие «газа вакансий». Помимо прочего к этому газу применимо и понятие давления газа вакансий подобно давлению газа частиц. Давление газа вакансий распространяется на весь объем твердого металла так же, как Давление обычного газа действует во всем объеме такого газа. Отсюда следует, что Давление газа вакансий действует изнутри на кристаллическую решетку, которая выполняет функции одновременно среды и оболочки для газа вакансий. И подобно обычному газу внутри резиновой камеры газ вакансий внутри кристаллической решетки создает напряжения в своей оболочке и при превышении величины давления над прочностью может разрушить эту оболочку.

3.1. Элементарный акт процессаплавления и образование

структурных единиц вещества и пространства

в жидком состоянии

Вопрос об элементарном акте плавления и о структурных единицах вещества в жидкости здесь поднимается впервые. Обычно процессплавления рассматривается как непрерывный, в котором трудно или невозможно усмотреть элементарный акт. Или процессплавления рассматривается как атомарный, в котором процессперехода отдельного атома твердого тела в жидкость и есть элементарный акт, а отдельные атомы являются структурными единицами вещества в жидком состоянии, как и в твердом, и в газовом.

Но это допущение неверно, поскольку свойстваагрегатных состояний, например свойство тела быть жидким или твердым, не присущи отдельным атомам. Выше было сказано, что отдельный атом (молекула) не может быть твердым, жидким или газообразным. свойстваагрегатныхсостояний проявляются только на уровне неких агрегатов частиц вещества и элементов пространства.

Образование такого минимального агрегата частиц вещества и элементов пространства, несущего признаки данного состояния, мы и называем здесь элементарным актом образования того или иного агрегатного состояния, в данном случае жидкого состояния.

Выше было показано, что двумя основными факторами, приводящими к плавлению, являются, с одной стороны, нарастание давления газа вакансий, а с другой - падение прочностиметаллов и сплавов с ростом температуры.

Глава 8. СТРОЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЖИДКОГО ЧУГУНА

8.1. Общие сведения о сплавах железо-углерод

Сплавы системы железо-углерод - стали и чугуны относятся к широко распространенным промышленным сплавам. чугуны имеют наиболее широкое применение в литейном производстве. Поэтому изучение строения жидких чугунов в связи с процессамикристаллизации и структурообразования представляется весьма полезным.

Сплавы железо-углерод относятся к сплавам с ограниченной растворимостьюкомпонентов в твердом состоянии и с не вполне определенной растворимостьюкомпонентов друг в друге в жидком состоянии. Эта неопределенность вызвана тем, что никому еще не удавалось получить сплав железа с углеродом с содержанием углерода выше 25% ат. в связи с необходимостью получения стабильной и точно измеримой температуры для исследований выше 2000 °С. Но это не единственная особенность этого рода сплавов.

Сплавы железо-углерод отличаются еще и тем, что один из компонентов этих сплавов - углерод - в свободном виде вообще не плавится и не образует жидкую фазу и в этом отношении представляет собой довольно Редкое, хотя и не единственное, исключение среди элементов периодической системы (119- 120].

С позиций развитой выше теорииплавленияуглерод в его наиболее стабильной формеграфита не плавится потому, что его прочность с повышением температуры не падает, как у подавляющего большинства элементе, а даже несколько возрастает. А падение прочности, как отмечалось выше, является одним из необходимых факторов подготовки к плавлению.

Кроме того, углерод в твердом состоянии практически не растворяет в Себе никакие другие элементы. И известно лишь весьма ограниченное число элементов, образующих ограниченные растворы с углеродом, в том числе и железо. В то же время углерод охотно вступает в химические реакции    со многими элементами с образованием карбидов.

10.12. Конгломерирование в жидких сплавах в результате седиментации

В связи с тем, что большинство проведенных опытов по седиментации в жидких сплавах показало, что равновесие не было достигнуто, мы npoводили опыты с более длительной выдержкой сплавов Zn - 5%А1; Zn - 10%А1; Zn - 15%А1 в жидком состоянии в течение 24, 48, 72, 96 ч. Главным результатом этих опытов было то, что даже после 96 ч выдержки равновесие Достигнуто не было и перераспределение элементов продолжалось.

Содержание алюминия в верхней и нижней частях образцов после такой длительной выдержки в жидком состоянии показано в табл. 22.

Как видно из табл. 22, перераспределение алюминия продолжается и после 96 часов выдержки достаточно интенсивно. Напрашивается прогноз полного расслоения данного жидкого сплава на исходные компоненты при достаточно длительной выдержке в жидком состоянии.