title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Основные сведения о кристаллах и сплавах

Основные сведения о кристаллах и сплавах

Понятие о кристаллах

Кристаллами называют самопроизвольно получающиеся в природе и технике тела, имеющие геометрически правильную форму, например куба. Характерный признак кристаллов — плоские грани Кристаллические тела по разным направлениям имеют разные свойства. Кристаллы чистых веществ имеют определенную температуру плавления. При раскалывании крупных кристаллов получаются более мелкие кусочки той же формы. Большинство веществ в природе и технике — кристаллы. Вид кристаллов пирита показан на рис. 7. Если при раскалывании куска какого либо вещества образуются кусочки любой неправильной формы, то такое вещество называется аморфным (бесформенным), например стекло. С помощью рентгеновских лучей было установлено, что правильной внешней форме кристаллов соответствует правильная внутренняя структура.
Основные сведения о кристаллах и сплавах

Крупные кристаллы построены из элементарных кристалликов, а сами эти кристаллики построены из ионов (соли, окислы), атомов, атомов-катионов (металлы) или молекул (лед, органические вещества, некоторые кислоты). Правильно расположенные элементарные частицы (ионы, атомы, молекулы) образуют решетку кристаллов. Самая простая форма кристаллической решетки — куб. В такой форме кристаллизуется поваренная соль. На восьми углах куба размещаются попеременно ионы натрия или хлора. Кристаллики медь, кроме атомов в углах куба, имеют еще атомы в центре каждой грани. У кристалликов железа имеются атомы в центре куба,
В идеальном случае все кристаллики поваренной соли, меди и железа имеют именно такую структуру. Все огромное разнообразие кристаллов в результате длительной научной работы удалось свести к шести системам:
а) кубической, сюда относятся такие фигуры, как куб, октаэдр, тетраэдр;
б) гексагональной, кристаллы имеют форму гексагональной призмы или двойной шестигранной пирамиды;
в) тетрагональной (квадратной). Кристаллы имеют форму квадратной призмы или двойной пирамиды с квадратным основанием;
г) ромбической, кристаллы имеют форму ромбической призмы или пирамиды;
д) моноклинной, простейшие кристаллы имеют форму наклонной призмы (наклон на грань);
е) триклинной, простейшие кристаллы имеют форму призмы, наклоненной по двум направлениям (наклон на ребро).

Наиболее часто встречаются кристаллы, принадлежащие к ромбической и моноклинной системам. Большинство твердых природных веществ состоит из массы кристалликов, беспорядочно расположенных друг относительно друга. Такие тела называются поликристаллическими. Если весь образец вещества имеет одну правильно построенную кристаллическую решетку, то это монокристалл.
Расстояния между узлами такой правильной решетки измеряют в микрометрах, Обычно эти расстояния составляют (2—8)*10в-8 см.
В металлургии кристаллы получаются чаще всего во время охлаждения жидкостей (растворов солей в воде, расплавленных металлов, шлаков). Схема кристаллизации приведена на рис. 8, где показаны зародыши кристаллов — центры кристаллизации о, первые свободно развивающиеся правильной формы кристаллики б, кристаллики, образовавшиеся в условиях стесненного роста в, на них видны слои последовательного нарастания граней. На рис. 8, г показана окончательно образовавшаяся структура из взаимно сжатых кристаллов. Выпадение кристаллов может быть полезным процессом. Им надо уметь управлять. В других случаях выпадение кристаллов может очень затруднить ход процесса и даже приостановить его. В этом случае надо уметь предупреждать выпадение кристаллов. Поэтому надо научиться читать "диаграммы состояния", на которых показаны сразу многие зависимости, состав жидкости, состав кристаллов, температура их образования. Сделаем некоторые предварительные пояснения.
Образование сплавов

Если приготовить смесь из двух (или более) веществ, например смесь кусочков красновато-розовой меди и светлых кусочков серебра, и нагревать ее, то при 800—900° С получим однородную жидкость. Наши металлы сплавились.
Можно сплавить и черный порошок закиси железа с кусочками молочно-белого кварца. Ho такой результат получается не всегда. Например, смесь кусочков свинца и железа после нагревания до 327° С образует жидкость — расплавленный свинец, на которой плавают кусочки железа. Продолжая нагревать жидкость, мы можем расплавить железо, но не получим сплава: получатся два жидких слоя (как у воды и масла). В случае сплавления веществ во время охлаждения мы можем получить кристаллы другого вида и с другими свойствами, чем имелись у исходных веществ Новые свойства сплава могут быть очень ценны в технике.
Кристаллизация сплавов

Здесь типичны три случая, а) образование однородных кристаллов при всех составах сплава; получается твердый кристаллический раствор; б) образование смеси двух видов кристаллов, получаются два твердых кристаллических раствора с взаимной ограниченной растворимостью компонентов; в) образование кристаллов химического соединения между компонентами.
Соединения металлов имеют большое значение в металлургии на переделах рафинирования металлов и в производстве сплавов или очень твердых веществ. Соединения между окислами определяют многие свойства шлаков.
Типичные диаграммы состояния из двух компонентов

Построение диаграммы. Диаграммы состояния двойных сплавов строятся следующим образом (рис. 9): на отрезке AB откладывают состав сплава в процентах. При этом считают, что в точке А 100% компонента Л, а в точке В—100% компонента В. Любая смесь из А+В может быть изображена точкой на от системы от температуры и состава резке AB. Если весь отрезок имеет длину 100 мм, то каждый 1 мм соответствует 1% вещества А, считая слева, или В, считая справа Для удобства чтения диаграммы на AB наносят деления через каждые 10%. Для того чтобы учесть влияние температуры на состояние смесей А+В, из точек А и В восстанавливают перпендикуляры, на которых в одинаковом масштабе отсчитывают температуру. В металлургии отсчет ведут часто не от 0° С, а от тех температур, которые близки к температурам превращений. Это может быть, например, 400—500 или 900—1200 С Диаграммы строят с помощью термического анализа по кривым охлаждения.

Диаграммы состояния твердых растворов (неограниченная растворимость) изображены на рис. 10. В этом случае компоненты А и В сплавляются во всех отношениях и дают однородную жидкость. При затвердевании таких сплавов получаются во всех случаях кристаллы только одного типа.
Диаграмма состоит из двух линии и трех полей. Верхняя граничит с областью жидкости и называется линией ликвидуса. Нижняя линия, граничащая с областью кристаллов, называется линией солидуса. Между ними находится область, в которой одновременно могут находиться разделяющиеся жидкость и кристаллы. Кривые солидуса и ликвидуса получают по расчету и экспериментально по кривым охлаждения (см. рис. 10, а).

Разберем, например, как по диаграмме можно проследить ход затвердевания жидкого сплава M. Для этого из точки M восстановим перпендикуляр, пересечем им линии солидуса и ликвидуса и доведем его до точки M2 в области жидкости. В точке M2 сплав находится в виде однородной жидкости при температуре t2. Во время охлаждения до на участке M1—M2 сплав остается однородным и не меняет состава. В точке М1 при температуре t1 из жидкости начинают выпадать кристаллы состава N1. По линии солидуса видно, что могут выпадать только такие кристаллы.
При дальнейшем охлаждении количество жидкости будет уменьшаться (отрезки от точек N до линии M1M укорачиваются), а количество твердого сплава увеличиваться (отрезки от P1, P2 до линии M1M удлиняются). Состав жидкости изображается при этом точками P1, P2, а кристаллов — точками N2, N3 и т. д. Все они лежат на кривой ликвидуса и солидуса. При этом жидкость взаимодействует с кристаллами. Так будет продолжаться до точки M3, когда весь сплав затвердеет. Далее на отрезке M3—M происходит простое охлаждение сплава

Состав кристаллов во время охлаждения изменялся от N1 до M3. Чтобы это происходило именно так, процесс надо вести осторожно. Иначе состав кристаллов внутри и снаружи будет различным (слоистым как луковица), а сами кристаллы ветвистыми. Однако при высоких температурах выравнивается состав кристаллов достаточно быстро.
Форма кривых ликвидуса и солидуса зависит от свойств сплавляемых металлов: чем они ближе, тем ближе кривые к прямой, соединяющей точки плавления чистых веществ, тем однороднее кристаллы. Вид твердого раствора под микроскопом показан на рис. 11.

Диаграмма с ограниченной растворимостью в твердом виде. На рис. 12 видны 6 областей: 1 — однородная жидкость, 2 — область жидкости и кристаллов А+ В, в которых А — основное вещество и В — примесь, 3 — область жидкости и кристаллов (В + А), в которых уже В — основное вещество, а вещество А — примесь; 4 — область кристаллов А + В, 5 — область кристаллов В + A; 6 — область кристаллов А + В и В + А.
На рис. 12 показана точка E и горизонтальная линия, проведенная через эту точку. Интересно заметить, что в этом случае добавка В к А и А к В ведет к снижению температуры плавления. В областях 2 и 3 кристаллизация происходит так же, как разобрано ранее на рис. 11. Если сплавы богаты веществом А или В, то кристаллизация может закончиться образованием кристаллов А + В или В + А. Это произойдет со всеми сплавами, в которых А меньше, чем в точке а, или В больше, чем в сплаве, отвечающем составу б.
При составах сплавов, отвечающих отрезку а—б, кристаллизация 6удет заканчиваться в точке Е, которая находится на пересечении двух линий ликвидуса В это время выпадают одновременно кристаллы А + В и В + А. Застывший сплав будет состоять из первичных крупных кристаллов А + В или В + А и мелких кристалликов, полученных во время совместной кристаллизации Вид закристаллизованного таким образом сплава под микроскопом показан на рис. 13.
Если состав сплава точно соответствует точке Е, то он весь закристаллизуется в виде двух видов мелких кристаллов. Точка E называется эвтектической точкой или просто эвтектикой. Эвтектика обладает несколькими важными свойствами: кристаллизация происходит при постоянной температуре; получаются мелкие кристаллы; температура в точке E наименьшая во всей системе А—В; твердый сплав состава E наиболее однороден.

Эвтектические сплавы окислов дают нам легкоплавкие шлаки Эвтектики металлов ценны тем, что наиболее устойчивы против действия растворов кислот и солей. К эвтектическим относятся сплавы алюминия с кремнием — силумины; свинца с серебром и сурьмой, применяемые как нерастворимые аноды, сплавы окислов железа и кремнезема — шлаки.
Шестая область диаграммы — область превращения кристаллов в твердом виде. Вследствие понижения температуры растворимость В в А снижается и происходит выделение кристалликов В из более крупных кристаллов А + В.
Диаграмма состояния с химическим соединением показана на рис. 14. Легко заметить, что эта диаграмма состоит из двух диаграмм эвтектического типа. Следовательно, нетрудно разобрать на основе ранее известного ход кристаллизации любого сплава магния с оловом. Диаграммы с химическими соединениями интересны неожиданными появлениями тугоплавких сплавов (веществ) в тех областях, где можно было рассчитывать на получение легкоплавких составов В нашем конкретном случае, не будь химического соединения, мы могли рассчитывать на получение сплава с температурой плавления около 520° С. В действительности смесь, состоящая из 70% олова и 30% магния, плавится при 795° С, и мы ошиблись бы на 275°.
При содержании магния в смеси больше 15,7% (эвтектический состав) кристаллизация сплава начнется с выделения кристаллов соединения Mg2Sn.
Такие кристаллы, накапливаясь, загромождают литейные тигли, горны печей, желоба, выпускные отверстия. Много затруднений вызывало ранее выделение тугоплавких кристаллов ферроникеля на никелевых заводах или меди из свинцового расплава на свинцовых заводах. Образование относительно тугоплавких соединений серебра с цинком, висмута с кальцием, алюминия с никелем, железа с цинком и ряда других используется в металлургии для рафинирования.

Диаграмма состояния с расслоением жидкости показана на рис. 15. На диаграмме имеются две линии at — монотектическая, Cd — эвтектическая и 6 областей: 1 — однородная жидкость, 2 — область двух жидкостей, например жидкости а и б', состав которых при данной температуре постоянен, 3 — область жидкости и кристаллов В, 4 — область жидкости кристаллов А, 5 — область жидкости кристаллов В, 6 — область кристаллов А и В. Зона двух жидкостей обычно ограничивается пунктирной линией.
Несмешиваемость жидкостей может быть использована для рафинирования металлов. Например, несмешиваемость цинка и свинца используют для извлечения из свинца золота и серебра в цинковый слой. Расслаиваются в жидком состоянии медь и ее сульфид. Две взаимно не растворимых жидкости получают во время плавок на шлак и металл или шлак и сульфиды. Креме монотектической линии, все процессы на диаграмме нам уже известны. На линии же аб происходит разделение жидкости б на жидкость а и кристаллы В при постоянной температуре.
В заключение этого раздела приводим диаграмму состояния двух окислов закись железа кремнезем. Эта система имеет большое значение в образовании шлаков цветной металлургии (рис. 16).
Большинство шлаков составляют на основе этой системы с добавкой СаО. Содержание CaO в шлаках доводят до 20—22%, чаще применяют шлаки с 5— 12% CaO. Добавленная в таких пределах CaO понижает температуру плавления смесей. В основной системе образуется одно химическое соединение Fe2SiO4 — фаялит, имеющее температуру плавления около 1200° С, и две эвтектики с температурами плавления около 1180° С.
Слева на диаграмме имеются поля (1—2—3) кристаллизации различных форм кремнезема и двух взаимно не растворимых жидкостей. Справа имеется поле 4 кристаллизации вюстита. Обращает на себя внимание резкое повышение температуры плавления смесей, содержащих белее 40% кремнезема. Поэтому шлаки печей цветной металлургии редко содержат его, даже при добавках CaO больше 45% и обычно не более 36%. Только в шлаках электропечей содержание кремнезема доводят до 55—60%. Следует заметить, что шлаки цветной металлургии — сложные многокомпонентные системы, содержащие в заметных количествах (до 30%), кроме трех основных окислов, еще окиси цинка, магния и алюминия.
Следовательно, диаграмма закись железа —кремнезем может служить только для первого ознакомления; с их свойствами, хотя шлаки некоторых процессов очень близко соответствуют по составу сплавам диаграммы. Более полное представление о шлаках можно получить, изучая тройные диаграммы.

title-icon Подобные новости