4.3. Строение слитка

Охлаждение расплава происходит неравномерно, в направлении максимального отвода тепла перпендикулярно поверхности литейной формы. Залитый в форму расплав отдает теплоту ее стенкам, поэтому кристаллизация расплава происходит от поверхности формы вглубь отливки и заканчивается в прибыли или областях, являющихся термическими центрами (тепловыми узлами отливки).

Следовательно, при кристаллизации одновременно могут быть зоны твердой и жидкой фаз, а также зона, в которой образуются кристаллы, а между ними – жидкий расплав. Режим отвода тепла, особенно в период затвердевания отливки, имеет очень большое значение, так как он влияет на формирование строения, плотность, химическую однородность и свойства отливки. Сначала затвердевают наружные слои отливки из расплава, содержащего наименьшее количество примесей. Центральная часть отливки кристаллизуется в последнюю очередь и там возможны различные дефекты в виде рассеянной пористости или раковин.

Образование при затвердевании равноосных (шаровидных, много-гранных и др.) зёрен не характерно для металлических материалов. При образовании сплавов из жидкого состояния, а также слиткам характерно дендритное (древовидное) строение (“дендрон” – по гречески дерево).

Чаще всего механизм образования кристаллов носит дендритный характер. Это связано с тем, что развитие зародышей протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях ожидается более предпочтительное образование осей первого порядка І (рис. 1.13). От осей первого порядка начинают расти новые оси второго порядка ІІ, от них - оси третьего порядка ІІІ и т. д. Как правило, в реальных условиях оси первого порядка образуются по направлению отвода тепла, которое имеет важное значение при кристаллизации. Установлено, что процесс кристаллизации начинается от стенок литейной формы или изложницы. При этом перпендикулярно к стенкам формы кристаллы растут быстрее, чем в других направлениях. Поэтому оси первого порядка образуются перпендикулярно стенкам изложницы. Затем на их боковых выступах образуются оси второго порядка, затем третьего и т. д.

Рис. 1.13. Схема дендрита Д. К. Чернова

В результате такой кристаллизации образуется древовидный кристалл, называемый дендритом, а такую кристаллизацию называют дендритной или древовидной. Для пояснения дендритной кристалллизации наиболее подходит схема, предложенная В. Розенгейном (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Схема дендритной кристаллизации по В. Розенгейну

По этой схеме у каждого из возникающих кристаллов, окружённых расплавленным металлом, плоскости решётки ориентированы случайно и поэтому направлены по – разному. И в случае равномерного и одинакового теплоотвода по разным направлениям дендриты получают хаотическую ориентировку. Следует подчеркнуть, что, как и в ранее рассмотренном случае, процесс дендритной кристаллизации развивается путём зарождения и роста кристаллов. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях процесса.

Дендритная кристаллизация характеризуется неоднородностью химического состава сплава. Химическая неоднородность или ликвация возникает при переходе из жидкого состояния расплава в твёрдое вследствие уменьшения растворимости примесей. Неоднородность химического состава в пределах одного дендрита (кристалла) называют дендритной ликвацией, а в пределах всего объёма сплава зональной ликвацией.

Дендритная структура является характер-ной для слитков и отливок. Строение стального слитка показана на рис. 1.15, а, б. В металлургическом производстве выплавленный металл заливают в металлические формы, называемые изложницами. Отливки получаются путем заполнения литейной формы расплавом, с последующим его затвердеванием— кристаллизацией, в результате которого формируются строение и свойства отливки. Сталь в изложнице охлаждается неравномерно. В местах, соприкасающихся со стенками изложницы, сталь быстро охлаждается, затвердевая в виде мелкозернистой плотной корки 1 (см. рис.1.15). По направлению к центру слитка охлаждение происходит медленнее, в результате чего образуются длинные столбчатые кристаллы 2 располагающиеся перпендикулярно стенкам изложницы. В центральной (осевой) части слитка охлаждение происходит еще медленнее. Эта часть слитка состоит из равноосных кристаллов 3, расположенных беспорядочно, и мелких древовидных кристаллов—дендритов 4.

Рис.1.15 Строение слитка: а – продоль-ное сечение; б – поперечное сечение

Дендриты возникают из-за недостатка жидкого металла для образования сплошного кристалла. В верхней части слитка образуется усадочная раковина 5. Центральная часть слитка застывает позже остальных, и в ней сосредоточивается значительное количество серы, фосфора и других примесей, ухудшающих механические свойства стали. Сердцевина слитка обладает и другим недостатком — она менее плотна, чем наружная часть. Если росту кристаллов твердой фазы ничто не мешает, то они приобретают значительные размеры. Ускорение процесса кристаллизации и увеличение числа центров кристаллизации измельчают структуру. Измельчение структуры также достигается введением в жидкий металл специальных добавок – модификаторов или применением форм из материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью. При мелкозернистой структуре материала отливки повышаются ее механические свойства, особенно пластичность и вязкость, например, при литье сплавов алюминия в металлические формы – кокили.

В процессе кристаллизации отливки при объёме жидкой фазы, достаточном для перемещения в промежутках между растущими кристаллами, пластичность материала отливки высокая, так как она определяется свойствами жидкости. С увеличением объёма твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования жесткого каркаса кристаллов (или заклинивания их в процессе деформации) полностью прекращается. Деформационная способность такого материала падает до весьма низких значений, и при затруднённой усадке отливки создаются условия для возможных разрушений (образования горячих трещин).

В связи с неодновременным затвердеванием отливки в тех ее местах, которые затвердевают последними, будут развиваться деформации растяжения и, если в таких местах запас деформационной способности (способности к развитию деформации) исчерпывается, в отливке образуются горячие трещины. В процессе дальнейшего охлаждения деформирование развивается в объемах кристаллов твердой отливки, пластичность которой резко возрастает.

Следует указать и на другую особенность, связанную с неодновременным затвердеванием расплава во всех частях отливки. С момента заливки расплава в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки протекают усадочные процессы, связанные с уменьшением объема расплава. До тех пор пока расплав, залитый в форму, не образовал по внешнему контуру твердой фазы (так называемый контурной корки), уменьшение его объема понижает уровень жидкости в верхней части отливки. После образования наружного закристаллизовавшегося слоя (контурной корки, в которой заключена жидкость) с понижением температуры происходит дальнейшее уменьшение объема жидкости (расплава). В результате этого в отливке образуются полости, не заполненные расплавом. Такие полости называются усадочными, их размеры тем больше, чем раньше образовался наружный слой, чем выше коэффициент объёмного сжатия жидкости и степень сжатия расплава при переходе его в твёрдое состояние и чем выше температура расплава. Развитие таких полостей можно уменьшить как за счёт увеличения интенсив-ности охлаждения отливок (повышающего скорость кристаллизации), так и за счёт ускорения поступления расплава к центральной части отливки (достигается способами литья под давлением), а также направленной кристаллизацией отливок (исключающей образования сплошной двухфазной зоны).

При охлаждении отливки происходит механическое и термическое затруднение (торможение) усадки. Механическое торможение возникает из-за трения между отливкой и формой. Термическое торможение связано с различными скоростями охлаждения отдельных частей отливки. При наличии таких препятствий для усадки в отливке возникают внутренние напряжения. Возникают они и в результате неодновременной и неравномерной усадки массивных и тонких сечений.

Если величина внутренних напряжений превысит предел текучести материала отливки, то возникнут остаточные, необратимые деформации (коробление) отливки. Отмеченные особенности кристаллизации необходимо учитывать при разработке рациональных конструкций отливок.

Контрольные вопросы.

1.Что называется кристаллизацией?

2. Что обозначают понятия «ближний» и «дальний» порядок и каким состояниям сплавов они характерны?

3. Как изменяется свободная энергия твёрдого и жидкого состояний металлов?

4. Что называется теоретической температурой кристаллизации? 5. Что называется степенью переохлаждения?

6. Какие два механизма сопровождают кристаллизациmaю?

7. Какой зародыш имеет критический размер?(который способен к росту, мелкие расплавляются, а большие растут.)

8. Как влияет степень переохлаждения на скорость образования зародышей и скорость их роста? (Чем больше степень переохлаждения, тем больше этих центров кристаллизации)

9. Когда образуется аморфное состояние в металлах?

(рис 1.12. Можно наблюдать только левую часть этих кривых, а у правой части скорость переохлаждения настолько высокая, что они не успевают перемещаться. Аморфные металлы обладают сов.другими свойствами)

10. При каких условиях кристаллы растут, сохраняя правильную форму, и когда прекращается такой рост? (Когда они еще не касаются друг друга. Схема 1.10 Образует правильные кубики, а наоборот – неправильные зерна)

11. Как получить при кристаллизации мелкозернистую струк-туру?(сильно переохладить)

12. Что называется модификацией? (альфа железо, бета, гамма)

13. Какие три зоны различают в структуре слитков и чем обус-ловлены их образование? (рис 1.15)

14. Каков механизм образования усадочной раковины?

15. В чём особенность дендритной кристаллизации?

16. Что называется ликвацией? (поскольку у нас сначала образуются оси первого порядка (чистые мет), а между осями кристаллизуются примеси - Вот эта херня называется ликвацией.)

Лекция 3 - 5. Свойства металлов и сплавов²

Различают механические, физические, химические и технологические свойства металлов и сплавов.