Плавление и кристаллизации чистых металлов.

Все металлы находятся в твердом состоянии до опреде­ленной темпе-ратуры. Это значит, что до определенной темпе­ратуры металл сохраняет свою кристаллическую структуру (ре­шетку), в которой атомы, находящиеся в узлах кристалличес­кой решетки, совершают колебательные движения с опреде-ленной амплитудой и частотой порядка 10¹³ периодов в секун­ду. При нагреве амплитуда перемещения атомов в узлах кри­сталлических решеток увеличи-вается и решетка разрушается. Этот момент и называют плавлением, и ве-щество переходит в жидкое состояние. Поскольку атомы в решетке каждого металла связаны строго определенными силами, на что указывает опреде-ленный параметр каждой кри­сталлической ячейки, то и энергия, необходи-мая для разру­шения решетки, имеет строго определенное значение. Вот почему каждый металл имеет свою строго определенную тем­пературу плав-ления, и эта величина является физической ха­рактеристикой металла.

При охлаждении жидкого ме­талла из­быточная свободная энергия выде-ляется из системы, что при­водит к уменьшению количества движения атомов, находя­щихся в жидкости. Тем­пература, при которой металл переходит из жи-дкого состоя­ния в твердое, называется температурой первичной кристал­иза-ции. Кроме первичной кристаллизации возможно форми­рование кристалли-ческой структуры в твердом состоянии — вторичная кристаллизация, что име-ет место при аллотропи­ческих превращениях.

В отличие от температуры плавления, которая является для каждого металла физической константой, температура кри­сталлизации его не является величиной постоянной и зависит от скорости охлаждения.

Процесс кристаллизации начинается с образования так назы­ваемых цент-ров кристаллизации. По мере охлаждения количество центров кристаллизации возрастает. Одновременно происходит рост кристаллов правиль­ной формы на основе ранее образованных центров кристалли­зации, так как ничто не мешает их формированию. В дальней­шем кристаллы начинают сталкиваться друг с другом, правильная форма отдельных кристаллов нарушается, и образуется поликристаллическая структура с хаотическим расположени­ем зерен, предста-вляющих собой блоки кристаллов или крис­таллитов.

Таким образом, при формировании кристаллической струк­туры необхо-димо рассматривать два фактора — скорость рос­та количества центров крис-таллизации в единице объема в еди­ницу времени и скорость роста кристаллов. Очевидно, одна и другая величины зависят от скорости охлаждения.

С увеличением скорости охлаждения число центров крис­таллизации интен-сивно возрастает, что приводит к образова­нию мелкозернистой структуры с высо-кими механическими свойствами. Это особенно важно для формирования структу­ры сплавов на основе компонентов, имеющих аллотропичес­кие модификации, так как эти процессы идут не только при первичной кристаллизации, а также при прев-ращениях в твер­дом состоянии (вторичная кристаллизация). В частности изве­стно, что длительное пребывание металла при высоких тем­пературах приводит к резкому увеличению размеров зерна и существенному снижению механических характерис-тик метал­ла. Например, при сварке неоправданное увеличение размеров сварного шва не только не увеличивает прочностные характе­ристики соединения, а напротив, снижает их за счет перегрева и, следовательно, ухудшения структуры.