Мікроструктура металів
Метали складаються із сукупності атомів, упорядковано розташованих у кристалічній структурі. Незважаючи на те, що ми розглядали процес кристалізації, як утворення одиничних кристалів, метали зазвичай не утворюють єдиного кристала при твердінні (переході зі стану, званого розплавом), натомість вони утворюють структуру, що складається з безлічі дрібних кристалів.
Це тому, що всередині розплавленого металу розсіяно безліч ядер чи центрів кристалізації. Такі ядра можуть утворюватися за значної втрати теплової енергії чотирма атомами. Завдяки цьому чотири атоми здатні утворити елементарну комірку. Ці елементарні осередки ростуть у міру того, як дедалі більша кількість атомів досягає низького енергетичного рівня і починає приєднуватися до них, у результаті відбувається утворення кристала. Цей процес відомий під назвою гомогенної кристалізації. Для того щоб виростити єдиний кристал металу з усього розплаву, потрібно складне спеціальне обладнання.
Найчастіше твердіння ініціюється присутністю домішок у розплаві металу. Після того, як температура опуститься нижче точки плавлення, атоми металу осідають на цих домішках, і почнеться утворення кристалів. Цей процес відомий під назвою гетерогенної кристалізації. Кристали (інакше звані зернами) продовжуватимуть своє зростання доти, доки весь метал не затвердіє. Під час свого зростання вони починають стикатися один з одним, утворюючи межі між кристалами, де атоми розташовані безладно. Ці межі, звані межами зерен, зазвичай є дефектною областю кристалічної структури металу.
Рис. 1.5.1 схематично зображено процес твердіння металу. Мінімальний розмір зеренобумовлює позитивні властивості металу завдяки підвищенню його межі плинності, проте в даний момент ми не будемо розглядати причини, з яких це відбувається. Одним із способів отримання дрібнозернистих структур є швидке твердіння розплаву, яке використовують при литті стоматологічних золотих сплавів у ливарні форми, розігріті до нижчих температур порівняно з температурою плавлення сплаву. Альтернативним способом отримання дрібнозернистих структур є забезпечення багатьох центрів кристалізації. Це можна отримати добавкою іридію до стоматологічних ливарних сплавів на основі золота. Іридій створює безліч центрів кристалізації і тим самим дозволяє обмежити зростання зерен.
Мал. 1.5.1. Процес твердіння металу
Детальне вивчення структури металів, а саме, розмірів кристалів, їх форми та складу, винятково важливе для з'ясування їх властивостей та технології отримання. Деякі уявлення про структуру металів можуть дати вивчення металевих поверхонь під електронним мікроскопом у відбитому світлі.
Світло відбивається від полірованої металевої поверхні, і характер відображення залежатиме від наявності на ній нерівностей, що призводять до його розсіювання.
Хімічне вплив на поліровану поверхню металу (зване травленням) також призведе до зміни характеру відбиття світла. Відповідні хімічні реактиви впливають певні області, що є на поверхні металу у зоні підвищеного механічного напруги, тобто. на межі зерен, у яких упаковка атомів не повністю упорядкована. Травлення призводить до утворення канавок, що розсіюють світло, які вигладять темнішими лініями. Цей ефект схематично зображено Рис. 1.5.2 для металу з вираженою однорідноюструктурою зерен. Всі зерна мають приблизно однакові розміри і форму; така структура зерен називається рівноосною. Прикладом металу з такою структурою зерен служить доевтектоїдна гіпоевтектоїдна нержавіюча сталь, поверхня якої після травлення представлена на Рис. 1.5.3. Можливі інші форми і розміри зерен, і дуже часто вони залежать від виду технологічної обробки, що використовується при твердінні розплаву. Наприклад, якщо розплавлений метал заливати у форму з квадратним або круглим перерізом, температура якої буде нижчою, ніж у розплаву, структура затверділого металу виглядатиме так, як показано на Рис. 1.5.4, тобто. Криштали ростуть від стінок форми до центру.
Мал. 1.5.2. Відображення падаючого світла від протруєної поверхні металу
Мал. 1.5.3. Зерниста структура гіпоевтектоїдної нержавіючої сталі
Мал. 1.5.4. Зерниста структура в залежності від умов твердіння розплаву
Багато металів легко деформуються, особливо якщо вони знаходяться в елементарному (тобто чистому) стані. Це дозволяє надавати їм будь-яку бажану форму ударами молота шляхом прокату, пресування або протяжки. Великі виливки, відомі під назвою злитків, можуть бути перетворені на вироби будь-якої необхідної форми, наприклад, крило автомобіля, кістяк човна або дріт.
Метал, форму якого було змінено шляхом деформації, називається кованим. Якби стали вивчати під оптичним мікроскопом мікроструктуру металевого дроту, вона виглядала б так, як показано на малюнку Рис. 1.5.5. Зерна витягнуті у напрямку протяжки та утворюють шарувату структуру.
Мал. 1.5.5. Витягнуті кристалічні зерна у структурі металевого дроту, отримані в результаті протяжки
Таким чином, вивчаючи мікроскопічнуструктуру металу можна отримати про нього багато інформації.
Основи стоматологічного матеріалознавства Річард ван Нурт