МИКРОСТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ.
Металлы состоят из совокупности атомов, упорядоченно расположенных в кристаллической структуре. Несмотря на то, что мы рассматривали процесс кристаллизации, как образование единичных кристаллов, металлы обычно не образуют единого кристалла при твердении (переходе из состояния, называемого расплавом), вместо этого они образуют структуру, состоящую из множества мелких кристаллов.
Это происходит потому, что внутри расплавленного металла рассеяно множество ядер или центров кристаллизации. Такие ядра могут образовываться при существенной потере тепловой энергии четырьмя атомами. Благодаря этому четыре атома способны образовать элементарную ячейку. Эти элементарные ячейки растут по мере того, как все большее количество атомов достигает низкого энергетического уровня и начинает присоединяться к ним, в результате чего и происходит образование кристалла. Этот процесс известен под названием гомогенной кристаллизации. Для того чтобы вырастить единый кристалл металла из всего имеющегося расплава, потребуется сложное специальное оборудование.
Чаще всего твердение инициируется присутствием примесей в расплаве металла. После того, как температура опустится ниже точки плавления, атомы металла станут осаждаться на этих примесях, и начнется образование кристаллов. Этот процесс известен под названием гетерогенной кристаллизации. Кристаллы (иначе называемые зернами) будут продолжать свой рост до тех пор, пока весь металл не затвердеет. Во время своего роста они начинают сталкиваться друг с другом, образуя границы между кристаллами, где атомы расположены беспорядочно. Эти границы, называемые границами зерен, обычно и являются дефектной областью кристаллической структуры металла.
На Рис. 1.5.1 схематически изображен процесс твердения металла. Малый размер зерен обусловливает положительные свойства металла, благодаря повышению его предела текучести, однако в данный момент мы не будем рассматривать причины, по которым это происходит. Одним из способов получения мелкозернистых структур является быстрое твердение расплава, которое используют при литье стоматологических золотых сплавов в литейные формы, разогретые до более низких температур по сравнению с температурой плавления сплава. Альтернативным способом получения мелкозернистых структур является обеспечение множества центров кристаллизации. Это можно получить добавкой иридия к стоматологическим литейным сплавам на основе золота. Иридий создает множество центров кристаллизации и, тем самым, позволяет ограничить рост зерен.
Детальное изучение структуры металлов, а именно, размеров кристаллов, их формы и состава, исключительно важно для выяснения их свойств и технологии получения. Некоторые представления о структуре металлов может дать изучение металлических поверхностей под электронным микроскопом в отраженном свете.
Свет отражается от полированной металлической поверхности, и характер отражения будет зависеть от наличия на ней неровностей, приводящих к его рассеянию .
Химическое воздействие на полированную поверхность металла (называемое травлением) также приведет к изменению характера отражения света. Соответствующие химические реактивы воздействуют на определенные области, находящиеся на поверхности металла в зоне повышенного механического напряжения, т.е. на границы зерен, в которых упаковка атомов не полностью упорядочена. Травление приводит к образованию канавок, рассеивающих свет, которые выгладят более темными линиями. Этот эффект схематически изображен на Рис. 1.5.2 для металла с выраженной однородной структурой зерен. Все зерна обладают приблизительно одинаковыми размерами и формой; такая структура зерен называется равноосной. Примером металла с такой структурой зерен служит доэвтектоидная гипоэвтектоидная нержавеющая сталь, поверхность которой после травления представлена на Рис. 1.5.3. Возможны и другие формы и размеры зерен, и очень часто они зависят от вида технологической обработки, используемого при твердении расплава. Например, если расплавленный металл заливать в форму с квадратным или круглым сечением, температура которой будет ниже, чем у расплава, структура затвердевшего металла будет выглядеть так, как показано на Рис. 1.5.4, т.е. кристаллы растут от стенок формы к центру.
Многие металлы легко деформируются, особенно, если они находятся в элементарном (т.е. чистом) состоянии. Это позволяет придавать им любую желаемую форму ударами молота, путем проката, прессования или протяжки. Крупные отливки, известные под названием слитков, могут быть превращены в изделия любой требуемой формы, например, в крыло автомобиля, остов лодки или проволоку.
Металл, форма которого была изменена путем деформации, называется кованым. Если бы стали изучать под оптическим микроскопом микроструктуру металлической проволоки, то она выглядела бы так, как показано на рисунке Рис. 1.5.5. Зерна вытянуты в направлении протяжки и образуют слоистую структуру. Таким образом, изучая микроскопическую структуру металла, можно получить о нем много информации.