Ранее было отмечено, что реальный процесс кристаллизации осложняется влиянием побочных факторов (см. п. 4). Сочетание влияния этих привнесенных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими законами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка.
Описание строения стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Остальные характерные черты в строении литого металла были отмечены тогда Д.К. Черновым, хотя многочисленные последующие исследования вскрыли много новых деталей.
В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью.
Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации.
Степень развития столбчатых кристаллов будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины, а также температуры ее стенок. Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т.д. Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствует увеличению доли столбчатых кристаллов и может повести к полной транскристаллизации, как это показано на рис. 35, а; при несколько замедленном охлаждении в центре слитка образуется зона равноосных кристаллов (рис. 35, б).
Рис. 36. Расположение усадочной раковины и пустот в слитках спокойной (а) и кипящей (б) сталей
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами; усадочные раковины могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка или по его части. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин (рис. 36,а). Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь, содержит раковины и пузыри во всем объеме (рис. 36, б). Спокойный металл поэтому более плотный, чем кипящий.
Форма первичных кристаллов (дендритов) после горячей механической обработки давлением (ковка, прессовка, прокатка и т.д.) видоизменяется. Дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и превращаются в волокна. В результате возникает различие в свойствах вдоль проката (вдоль волокна) и поперек. (Анизотропия свойств деформированных изделий в сильной степени зависит от наличия неметаллических включений, располагающихся при деформации в строчки, идущие вдоль волокон.)
На рис. 37 приведена макроструктура штампованного клапана, на котором видно распределение волокон вдоль контура изделия. Такое расположение волокон является наилучшим и следует стремиться ковкой добиться именно такого распределения, избегая перерезанных волокон. (Точнее, следует стремиться к тому, чтобы расположение волокон совпадало с направлением главных усилий в деталях при работе.)
Строение стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, которая состоит из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов.
Вторая зона слитков – зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода
меняются, градиент температур уменьшается и уменьшается степень переохлаждения стали. Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов.
Кристаллы, которые образуются в процессе затвердевания металла, имеют различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, которые получили название дендриты из-за своей формы, которые напоминают форму дерева. Такая форма кристаллов объясняется тем, что возникшие в жидком металле зародыши растут в направлении с минимальным расстоянием между атомами. Так образуются оси первого порядка. Одновременно с удлинениями осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярно к ним под определенными углами оси второго порядка, от которых уже растут оси третьего порядка и в конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов. Дендритное строение выявляется после специального травления шлифов, т. к. все промежутки между ветвями дендритов заполнены, и видны обычно только места стыков дендритов в виде границ зерен. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях процесса. Дендритное строение характерно для макро– и микроструктуры литого металла (сплава).
При соприкосновении с холодной стенкой изложницы образуется зона мелких равноосных кристаллов. Объем твердого металла меньше жидкого, поэтому между стенкой изложницы и застывшим металлом возникает воздушная прослойка; сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. В результате скорость охлаждения металла уменьшается, рост кристаллов приобретает направленный характер – они растут от стенки изложницы к центру по направлению отвода тепла и образуется зона столбчатых кристаллов. Это явление как бы прорастания длинными кристаллами толщи слитка носит название транскристаллизации. Образующаяся зона замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаждения уменьшается и образуется зона крупных неориентированных кристаллов. В жидком металле содержится какое-то количество растворенных газов, поэтому в объеме слитка при его охлаждении для металлов, которые обладают склонностью к переохлаждению, обнаруживаются только восходящие ветви кривых числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов.
Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации. Такими частичками могут быть оксиды, нитриды, сульфиды. Центрами кристаллизации в металле или сплаве могут быть твердые частицы, которые имеют небольшую разницу в размерах атомов с атомами основного металла, их кристаллическая решетка должна быть близка по строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Стенки изложниц и других форм, где происходит кристаллизация жидкого металла имеют неровности, шероховатости. Эти неровности влияют на процесс кристаллизации, увеличивая скорость кристаллизации. Если сталь недостаточно раскислена (так называемая кипящая сталь), то газовые пузыри будут образовываться по всему объему слитка.
Если сталь хорошо раскислена (спокойная сталь), то ее отливают в изложницы с утепленной прибыльной надставкой. В этом месте будут кристаллизоваться последние порции жидкого металла. Здесь будут собираться газы. При этом возникает большая пустота, называемая усадочной раковиной. Около усадочной раковины металл будет менее плотным, рыхлым. Поэтому после прокатки слитков спокойной стали верхнюю (прибыльную) часть слитка (около 15–20 % от длины слитка) отрезают. При прокатке форма первичных кристаллов литого металла изменяется. Дендриты деформируются, вытягиваются вдоль направления течения металла, превращаются в волокна. Места стыков кристаллов имеют меньшую прочность, поэтому вдоль волокон деформированная сталь обладает большей прочностью и вязкостью, чем поперек.
Аморфные сплавы достаточно часто бывают хрупкими при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии, могут подвергаться холодной прокатке. Магнитомягкие аморфные сплавы бывают трех групп.
1. На основе железа (Fe 81Si 3 5B 13 5C 2) с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой.
2. На основе кобальта (CО 66Fe 4(Mo, Si, B) 30, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения, но высокие механические свойства, низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости.
3. Железоникелевые сплавы (Fe 40Ni 40P 14B 6) со средними значениями магнитной индукции и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов.
Магнитомягкие аморфные сплавы используются в электротехнике и электронной промышленности.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Строение древесины
Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая
Строение древесины
Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая
ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины
2. Макроскопическое строение древесины
2. Макроскопическое строение древесины При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердцевинные повторения.У молодых деревьев всех пород древесина
1. Строение металлов
1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы
2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства
2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых
7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы
7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы.Сплавы меди с цинком,
§ 3.6 Строение ядер
§ 3.6 Строение ядер Чем больше в ядре должно поместиться нуклонов, тем больше должна быть площадь поверхности ядра, где происходят присоединения то протонов, то нейтронов… Этим особенностям лучше всего отвечает форма ядра в виде двух пирамид Хеопса, соединённых
§ 4.14 Строение вещества и химическая связь
§ 4.14 Строение вещества и химическая связь Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, То состоять из начал крючковатых должно несомненно, Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых. В этом разряде вещей, занимая в нём первое место, Будут алмазы
Глава 32 Строение Пространства – Времени
Глава 32 Строение Пространства – Времени «Действие есть кривизна Мира» Павел Дмитриевич Успенский, 1911 год Мы уже предполагали аналогии квантового строения микромира и макромира, при определенных условиях. Далее, будет показаны законы резонансного строения нашего
10.4.2. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ (АММ)
10.4.2. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ (АММ) Это новая группа магнитомягких материалов с перспективным сочетанием высоких магнитных, электрических и механических свойств. Упорядоченное расположение атомов в этих материалах существует только в ближнем порядке. Такое
8. Плавление металлов и строение расплавов
8. Плавление металлов и строение расплавов Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку
В процессе остывания стали последней отверждается та часть слитка, которая размещается по его оси над усадочной раковиной. В этой зоне сильнее всего выражена зональная ликвация – местное обогащение отдельных участков примесями, которые образуются вследствие непрерывно протекающего процесса избирательной кристаллизации.
В наружной части слитка содержание ликвирующих элементов минимально, поэтому поверхностная корка состоит преимущественно из застывших шлаков, имеющих более низкую температуру плавления, чем металл. В корке фиксируются также фосфор, углерод, сера и прочие металлургические примеси, обычно в виде сульфидов и оксидов.
При последующей обработке корку удаляют, используя ряд последовательных нажатий молота или ковочного гидропресса. Из-за разности в химсоставе и, следовательно, в условиях сцепления с основным металлом слитка такая корка быстро отваливается от поверхности.
Вторая зона – столбчатые кристаллы
В этой зоне представлены равноосные кристаллиты, которые ориентированы в разных направлениях. Значительную часть зоны занимает также усадочная раковина, а также поры и пустоты, являющиеся её продолжением. Непосредственно под усадочной раковиной располагается ликвационная зона, обогащённая углеродом, фосфором и серой.
Зона мелких неориентированных кристаллитов при нагреве под ковку или механическую обработку удаляется поверхностной зачисткой. Хрупкость этой зоны повышена, но сила сцепления меньше вследствие малой глубины слоя. Структура слитка, полученного полунепрерывным или непрерывным литьём, практически исключает наличие этой зоны.
Третья зона – равноосные кристаллы
По мере увеличения расстояния от поверхности слитка внутренний градиент температур уменьшается, что создаёт более благоприятные условия для охлаждения металла. Следствием этого процесса является транскристаллизация, в ходе которой оси кристаллов вытягиваются в одном направлении. Именно из этой зоны в дальнейшем формируется наружная часть поковок, а затем – и готовых деталей. В зоне равноосно расположенных кристаллов содержится наименьшее количество примесей. Лишь в некоторых специальных марках стали (содержащих значительный процент никеля), а также у сталей аустенитного класса зона равноосных кристаллов оказывается очень большой. Это создаёт дополнительные трудности при горячей обработке давлением.
Размеры зоны зависят от:
Протяжённость зоны равноосно расположенных кристаллов растёт с увеличением процентного содержания хрома, никеля и вольфрама. У некоторых видов сталей, например, у аустенитных нержавеющих, равноосные кристаллы занимают практически всё поперечное сечение слитка. Более того: столбчатые кристаллы, растущие от противоположных граней, даже встречаются своими вершинами в центре слитка.
Транскристаллическая структура слитка
Кристаллизация и строение слитка определяются формой изложницы. В круглых слитках дендриты направлены нормально к поверхности, создавая места с возможными пустотами или прострелами у стыков зёрен, расположенных в центральной части слитка. В слитках квадратного сечения дендриты растут нормально к сторонам квадрата и встречаются своими вершинами примерно по направлению диагонали. Вследствие этого те места слитка, которые расположены по диагонали, насыщаются ликвирующими примесями, что ослабляет их прочность и приводит к росту структурной неравномерности.
Всё вышеуказанное следует принимать во внимание при ковке слитков, особенно когда зона транскристаллизации сильно развита.
Если в процессе ковки направление деформирубщего усилия совпадает с направлением роста дендрита, то усилие будет направлено вдоль вытянутых плоскостей спайности дендритов. Это вызывает трещинообразование, поскольку такие плоскости ослаблены наличием большого количества вредных примесей.
Строение слитков сплавов
Наличие преддендритных субструктур показывает, что значительное количество специальных сплавов (особенно на основе алюминия) обладают повышенной чувствительностью к теплопередаче, даже, если механизм размножения зёрен за счёт фрагментации активен. Преддендритные зёрна характеризуются повышенной шероховатостью, увеличенным количеством столбчатых зёрен и их размерами.
Кристаллы, образующиеся в процессе первичной кристаллизации, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, направления теплоотвода, а также от содержания примесей.
Первичный древовидный кристалл называется дендритом.
Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка (рисунок 11).
На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита.
Рисунок 11 — Схема строения дендрита:
При заливке жидкого металла в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Схема строения металлического слитка приведена на рисунке 12.
Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона — наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из неориентированных мелких кристаллов — дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы (форма, куда заливают жидкий металл) в тонком прилегающем слое жидкого металла возникают большой градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.
Вторая зона слитка — зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются, градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из-за небольшого числа центров кристаллизации начинают расти в направлении теплоотвода столбчатые кристаллы.
Третья зона слитка — зона крупных равноостных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура.
1 — мелкозернистая корка;
2 — столбчатые кристаллы (дендриты);
3 — крупные равноосные кристаллы;
4 — усадочная раковина
Рисунок 12 — Схема строения металлического слитка
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации уменьшается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами 4. Верхняя часть слитка с усадочной раковиной отрезается. В слитках небольших размеров зона 3 может отсутствовать. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов называется транскристаллизацией.
Слитки сплавов имеют неоднородный состав.
Неоднородность по химическому составу называется ликвацией.
Ликвация может быть зональная (различная концентрация элементов по зонам сечения слитка), гравитационная (образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фазы, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз), дендритная (более тугоплавкие и чистые элементы образуют оси 1 порядка, менее тугоплавкие — 2 и 3 порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси — заполняют межосное пространство).
Уважаемые студенты! Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам: ✔ Решение задач ✔ Выполнение учебных работ ✔ Помощь на экзаменах
1 – зона мелкозернистых кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона крупнозернистых кристаллов; 4 – усадочная раковина; 5 – газовые пузыри
Первая зона слитка состоит из мелких равноосных зерен. Металл в начальный момент затвердевания, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов.
Внутренняя часть слитка – зона крупных равноосных зерен. Третья зона формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления.
В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Усадочная раковина располагается в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.
Структура, показанная на рисунке 1.5 а, образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части. В целях уменьшения усадочной раковины в слитках изложницы изготовляют с утепленной надставкой.
Выделение газов в слитке кипящей стали (рисунок 1.5 б) происходит при затвердевании слитка, поэтому в слитке образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением.
Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, возникающая в процессе кристаллизации, называется ликвацией. Ликвация бывает двух видов – дендритная и зональная.
Дендритной ликвацией называется неоднородность по химическому составу в пределах одного кристалла (дендрита) – по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора – в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.
Зональная ликвация – неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части – уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.
