15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования

На металлургических предприятиях жидкий металл обычно заливают в изложницы, вмещающие десятки – сотни тонн расплава. Процесс кристаллизации, как впервые установил Д.К. Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации, в качестве которых часто выступают мельчайшие частицы тугоплавких соединений.

Пока образовавшиеся кристаллы могут расти свободно, они имеют правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается; дальнейший рост продолжается только в тех направлениях, где остался жидкий расплав. Именно это является причиной образования кристаллитов – зерен неправильной геометрической формы.

В сплавах, образующих твердые растворы, внутри крупных кристаллитов, появляющихся при замедленном охлаждении, зачастую можно наблюдать неоднородную по химическому составу, так называемую, дендритную (древовидную) структуру, вызванную наличием осей кристаллизации первого, второго и последующих порядков – рис. 15.1.

Рис. 15.1. Дендритная микроструктура сплава медь–никель

Внутри закристаллизовавшегося слитка можно выделить 4 зоны – рис. 15.2. Зону с усадочной раковиной отрезают автогеном от слитка и направляют на повторную переплавку, т.к. в ней концентрируются газовые пузыри, неметаллические включения, шлаки и т. п.

Рис. 15.2. Строение металлического слитка: 1 – усадочная раковина, образующаяся вверху слитка в результате сокращения линейных размеров металла при охлаждении; 2 – мелкие равноосные кристаллы, образующиеся в результате быстрого охлаждения металла, на холодной стенке изложницы; 3 – крупные вытянутые кристаллы, образующиеся в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно стенкам изложницы; 4 – крупные равноосные кристаллы, образующиеся при замедлении скорости охлаждения внутри слитка

После охлаждения слиток имеет неоднородное по химическому составу крупнокристаллическое строение и довольно низкие и неоднородные по объему механические свойства. Установлено, что чем крупнее зерно, тем ниже механические свойства^*. Поэтому металлурги борются за снижение величины зерна путем введения в расплав специальных присадок, служащих центрами кристаллизации; регулированием скорости охлаждения слитка; а также проведением интенсивной пластической деформации (ковка, прокатка) и рекристаллизации.

16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности

По своему внутреннему строению в твердом виде металлические изделия подразделяются на монокристаллические, поликристаллические и аморфные.

П одавляющее большинство металлов и сплавов, применяемых в промышленности, имеют поликристаллическое строение, т. е. они состоят из громадного числа зерен – кристаллитов – мелких (10^–4…1 мм) кристаллов неправильной формы, разориентированных друг относительно друга (рис. 16), внутри которых наблюдается более или менее упорядоченная структура, характеризующаяся дальним порядком в расположении атомов и анизотропией свойств. Однако из-за хаотического расположения отдельных кристаллитов в объеме изделия кристаллографическая анизотропия в поликристаллических материалах не проявляется^**.

Рис. 16. Схема ориентации кристаллических

решеток зерен в поликристаллическом теле

В середине ХХ века освоено широкомасштабное производство монокристаллических деталей, состоящих из одного кристалла, с ярко выраженной анизотропией свойств. Сначала так получали рубиновые, германиевые и кремневые заготовки, используемые в лазерной и полупроводниковой технике, а потом научились выращивать монокристаллические турбинные лопатки и др. ответственные детали, обладающие бóльшим сроком службы, чем поликристаллические.

Аморфное¹⁹ состояние – твердое состояние вещества при котором существует только ближний порядок в расположении атомов, характерный для жидкостей. Аморфное состояние характеризуется изотропией свойств и отсутствием точки плавления – при повышении температуры аморфные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние постепенно. К аморфным материалам относятся неорганическое стекло и большинство высокомолекулярных соединений, в том числе, канифоль, янтарь, воск, битум и т. п.

Во второй половине ХХ в., путем сверхбыстрого охлаждения расплавов, началось производство металлических аморфных сплавов – металлических стекол (метглассов), имеющих сложный состав, например, Fe₈₀B₂₀, Fe₈₀P₁₃B₇, Co₃₄Cr₂₈Mo₂₀C₁₈. Аморфные сплавы обладают уникальными механическими (σ_в до 4100 МПа), физическими и химическими свойствами, в том числе, магнитными и коррозионными. Эти сплавы применяются в электротехнике и радиоэлектронике, а также для изготовления коррозиестойких, высокопрочных композиционных материалов; однако, все они боятся чрезмерного нагрева, приводящего к кристаллизации и утрате специфических свойств.