Виды ликвации

Согласно [2] ликвацию классифицируют следующим образом:

1. Ликвация в пределах кристалла (в микрообъёмах).
2. Ликвация в слитке, или зональная ликвация (в макрообъёмах), которая подразделяется на:
• ликвацию, связанную с направлением теплового потока (с направленным теплоотводом); может быть обычной (нормальной) и обратной;
• ликвацию, связанную с действием силового поля; может быть графитационной (по весу) и возникающей при центрифугировании.

Для зональной макроликвации возможна ещё следующая классификация:

1. Общая, которая может быть положительной ликвацией в слитке или отливке (прямой) и отрицательной (обратной).
2. Местная (кайма по кромке затвердевания; V-образная ликвация; ликвационные шнуры; обратная V-образная ликвация, или теневые полосы; пятнистая ликвация; ликвация, связанная с газовыми пузырями).

Ликвация усиливается при:
а) увеличении скорости охлаждения (особенно дендритная ликвация);
б) уменьшении скорости диффузии.

Ликвация уменьшается (в редких случаях дендритная ликвация устраняется) в результате гомогенизационного или диффузионного отжига. Количественная оценка ликвации в кристалле осуществляется с помощью коэффициента ликвации K_ликв. На величину ликвации в кристалле влияет сочетание количеств легирующих добавок.

Ликвацию по весу также можно устранить добавкой определённых легирующих элементов.

Разливка стали на слитки и слябы: ликвация увеличивается с увеличением массы слитка. Склонность к ликвации у кипящей стали гораздо больше, чем у спокойной.

Ликвация - ликвационное рафинирование

Мы мало используем в своей практике иное значение термина " ликвация". Имеется в виду ликвация, как один из физических методов рафинирования (преимущественно применяется для цветных металлов), основывающихся на различиях в физических свойствах разделяемых компонентов.

В этом смысле ликвация - это метод рафинирования чернового металла, основанный на создании гомогенности расплава за счёт уменьшения растворимости примемей при медленном охлаждении расплава или на разложении сплава при его медленном нагреве. В процессе ликвационного рафинирования используются некоторые свойства эвтектических систем с отсутствием растворимости или с малой растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

Этот металлургический процесс был изобретён и освоен ещё в XVI веке.

9 Кристаллическое строение металлов

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Основным признаком кристаллических тел является их внутреннее строение.

Изучение внутреннего строения металлов и сплавов при помощи рентгеновского анализа позволило ученым сделать вывод, что причины изменения свойств металлов и сплавов заключаются в том, что мельчайшие частицы -атомы, из которых они состоят, в различных условиях приобретают иное взаимное расположение. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов.

Атом в целом электрически нейтрален, т. е. не обладает электрическим зарядом. Электроны движутся вокруг ядра с огромной скоростью. Атом бывает в таких состояниях, когда он приобретает или теряет электроны. Тогда он становится электрически заряженным -превращается в ион.

При избытке электронов ион является отрицательно заряженным, а при недостатке электронов -положительно заряженным,

Металлы состоят из положительно заряженных ионов и свободных, т. е. оторвавшихся от ядер, электронов, которые переходят от одних ионов к другим и вращаются вокруг ядра то одного иона, то другого. То или иное расположение атомов, из которых состоят металлы, называется их внутренним строением или структурой.

Отличительной особенностью кристаллических тел является то, что составляющие их атомы расположены в строго определенном порядке и образуют так называемую пространственную кристаллическую решетку.

Тела, в которых атомы расположены хаотически, т. е. в беспорядке, называются аморфными. К ним относятся: клей, пластмассы, стекло и др. От расположения атомов в кристаллической решетке зависят свойства металла.

Кристаллические решетки в металлах могут быть разных типов. Примеры таких кристаллических решеток изображены на рис. 2.

Рис. 2. Типы кристаллических решеток:

а - объемноцентрированный куб - атомы (ионы) металла расположены в вершинах куба, а один атом (ион) - в центре его, б - гранецентрированный куб - атомы (ионы) металла расположены в вершинах куба и в центре каждой из его граней, в - гексагональная решетка - 12 атомов расположены в вершинах шестигранной призмы, 2 -в центре оснований и 3 -в среднем сечении

Каждому из металлов свойственно то или другое кристаллическое строение. Например, железо в холодном состоянии состоит из ячеек 1-го типа, медь -из ячеек 2-го типа, цинк - из ячеек 3-го типа и т. п.

10. Строение реальных кристаллов.Пути повышения прочности и экономии материалов

Локальные несовершенства (дефекты) в строении кристаллов присущи всем металлам. Эти нарушения идеальной структуры твердых тел оказывают существенное влияние на их физические, химические, технологические и эксплуатационные свойства. Без использования представлений о дефектах реальных кристаллов невозможно изучить явления пластической деформации, упрочнение и разрушение сплавов и др. Дефекты кристаллического строения удобно классифицировать по их геометрической форме и размерам: 1) точечные (нульмерные) малы во всех трех измерениях, их размеры не больше нескольких атомных диаметров - это вакансии, межузельные атомы, примесные атомы; 2) линейные (одномерные) малы в двух направлениях, а в третьем направлении они соизмеримы с длиной кристалла - это дислокации, цепочки вакансий и межузельных атомов; 3) поверхностные (двумерные) малы только в одном направлении и имеют плоскую форму - это границы зерен, блоков и двойников, границы доменов; 4) объемные (трехмерные) имеют во всех трех измерениях относительно большие размеры - это поры, трещины; Точечные дефекты - это вакансии, т. е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют в результате их перехода на поверхность кристалла (рис. 1, а), или атомы, внедрившиеся в межузлие (рис.1, б) решетки. Рис.1-Дефекты кристаллической решетки: а - вакансия; б - дислоцированный(внедрившийся) атом; Вышедший из равновесного положения атом называют дислоцированным, а оставшееся пустое место в узле решетки - вакансией. Вакансии и дислоцированные атомы вызывают искажение решетки, распространяющееся примерно на пять параметров. Дислоцированный атом и вакансии непрерывно перемещаются по решетке вследствие неравномерного распределения энергии между атомами. Количество такого рода дефектов очень велико, например, в 1 см³ кадмия при температуре 300 °С наблюдается 10¹ ³ вакансий, а время существования вакансии всего лишь 0, 0004 с. Перемещаясь беспорядочно по кристаллической решетке, вакансии встречаются и скапливаются, образуя другой вид дефектов решетки, который называется дислокация и относится уже к линейным дефектам. Наиболее распространены дислокации двух типов: линейные или краевые и винтовые или спиральные. Дислокации можно легко представить путем смещения одной части кристалла по отношению к другой, но не по всей плоскости, а только по ее части. При этом часть соседних атомов в плоскости смещается по отношению к своим соседям, а часть плоскости остается без нарушения взаимного расположения атомов. В случае линейной дислокации (рис.2, а) сдвиг происходит по плоской поверхности, а в случае винтовой дислокации (рис. 2, б) сдвиг идет по винтовой поверхности. Величина единичного смещения плоскостей характеризуется вектором Бюргере b (вектор b на рис. 2), который отражает как абсолютную величину сдвига, так и его направление (правая и левая винтовая дислокация, положительная и отрицательная краевая дислокация). Рис. 2 - Схема образования дислокаций в кристалле при приложении внешней силы P: а - линейной(краевой); б - винтовой(спиральной); Чистые металлы получить технически очень трудно и по этой причине в металле присутствуют примеси различного происхождения. В зависимости от природы примесей и условий попадания их в металл они могут быть растворены в металле или находиться в виде отдельных включений. На свойства металла наибольшее влияние оказывают чужеродные растворенные примеси, атомы которых могут располагаться в пустотах между атомами основного металла (атомы внедрения) или в узлах кристаллической решетки основного металла (атомы замещения). Если атомы примесей значительно меньше атомов основного металла, то они образуют растворы внедрения (рис. 3, а), а если больше - то образуют растворы замещения (рис. 3, б). В том и другом случаях решетка становится дефектной и искажения ее влияют на свойства металла. Рис. 3 - Искажение кристаллической решетки примесными атомами: а - внедрения; б - замещения; Наличие дислокаций и несовершенство кристаллов, с одной стороны, оказывают ослабляющий эффект на металл, а при определенных условиях дефекты могут упрочнять металл. Упрочняющий эффект обусловлен взаимодействием дислокаций друг с другом и с различными несовершенствами кристаллического строения. Сущность процесса упрочнения состоит в торможении дислокаций, создании препятствий для их перемещения. Взаимодействие дислокаций многообразно и сложно. Они могут взаимодействовать в одной или разных плоскостях, иметь одноименный или разноименный знак, но если искажение решетки в результате их взаимодействия увеличивается, то возрастает сопротивление деформации кристалла. Поверхностные дефекты наблюдаются прежде всего на границах зерен. Граница зерен - это поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией (рис. 4). Эта поверхность является двумерным дефектом, имеющим значительные размеры в двух измерениях, а в третьем - его размер соизмерим с атомным. Границы зерен - это области высокой дислокационной плотности и несогласованности строения граничащих кристаллов. Атомы на границе зерен имеют повышенную энергию по сравнению с атомами внутри зерен и, как следствие этого, более склонны вступать в различные взаимодействия и реакции. На границах зерен отсутствует упорядоченное расположение атомов. Рис. 4 - Схема взаимного расположения зерен металла: а - граница между взаимно наклоненными зернами; б - граница между взаимно смещенными(скрученными) зернами; Каждое из зерен металла состоит из отдельных фрагментов, а последние - из блоков, образующих мозаичную структуру. Зерна металла взаимно разориентированы на несколько градусов, фрагменты разориентированы на минуты, а блоки, составляющие фрагмент, взаимно разориентированы всего лишь на несколько секунд (рис. 5). На границах зерен в процессе кристаллизации металла скапливаются различные примеси, образуются дефекты, неметаллические включения, оксидные пленки. В результате металлическая связь между зернами нарушается и прочность металла снижается. Рис. 5 -Схема кристалла(зерна) металла с его границами(ширина границ 5-10 межатомных расстояний): а - общий вид; б - блочная(мозаичная) структура внутри зерна; Состояние границ зерен металла оказывает большое влияние на их свойства.

Пути повышения прочности металла

- Создание металлов и сплавов с бездефектной структурой; повышением плотности дефектов, затрудняющих движения дислокации. В настоящее время получены ните- видные кристаллы (усы), прочность которых в 50- 15 раз больше прочности обычного металла.

- Создание искусственного наклепа объёмного и особенно поверхностного (нагартовки).

- Легирование металла в т.ч. железа элементами таблицы Менделеева.

- Получение наследственно-мелкозернистого зерна путем регулируемой кристаллизации, модифицирования, модификаторами первого (V, Ti, Mo, Nb, Ta и др.) и второго рода (Ca, Mg, РЗМ и др.).

- Очистка металла от вредных примесей S, P, Sb, As, газов H, N, O. При этом повышаются все механические свойства, уменьшается способность распространения трещин.

- Термическая обработка, термомеханическая обработка.

- Уменьшение шероховатости поверхности деталей.