Гуляев А.П. - Металловедение 1986 (Гуляев А.П. - Металловедение), страница 11

При кристаллизации из жидкого состояния для скорости течения процесса и для формы образующихся кристаллов первостепенное значение приобретают такие факторы. как скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц (которые могут служить готовыми центрами кристаллизации), конвекционных токов жидкости и т. д. В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении. ' Кривая с максимумом прн некотором определенном значении должна получиться при исследовании приведенного выше уравнения на максимум и минимум: ги = 2о/Лр. Если на боковой поверхности растущего кристалла возникает бугорок, то кристалл приобретает способность расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный кристалл, так называемый дендрит, схематическая структура которого, впервые изображенная Д.

К. Черновым, показана на рис. 32. Дендритное строение типично для литого металла. Если условия благоприятны, охлаждение медленное, то могут вырасти огромного размера, дендриты. В усадочной раковине 100-т слитка один из учеников Д. К. Чернова нашел дендрит (точнее два дендрита, сросшиеся своими основаниями) длиной в 39 см. Фотография этого дендрита, который обычно называют аКристаллом Чернова», приведена на рис.

33. Рис. 32. Саеиа деидрите Гис. 33. Кристалл Чериааа. Х НЗ Согласно схеме (см. рис. 32) дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви (оси второго и последующего порядка). Чем быстрее было охлаждение при кристаллизации, тем меньше размеры (высота) дендрита и меньше расстояния между ветвями второго порядка (с!) д = Ьо,~,. При очень большой скорости охлаждения, например, при распылении жидкого металла н отдельные гранулы (круглые частицы диаметром 0,01 — 0,1 мм) дендриты имеют размеры порядка 100 мкм, а расстояние между осями второго порядка 1 — 5 мкм. В обычных слитках массой в сотни килограмм илн несколько тонн дендриты имеют размеры несколько десятков миллиметров и меньше.

В момент своего образования дендрит является монокристаллом, но при последующем охлаждении в результате полиморфных превра4а щений или внутренних напряжений могут внутри ветвей дендрита образоваться зерна разноосной, полиэдрической формы (см. рис. 11), вероятно, не сильно различающиеся ориентировкой. 5. Строение слитка Ранее было отмечено, что реальный процесс кристаллизации осложняется влиянием побочных факторов (см. п.

4). Сочетание влияния зтих привнесенных факторов (часто не поддающихся точному учету) с общими законами кристаллизации и определяет особенности строения стального слитка. Рас. За. Саеве стрсеввя стааьвета сватая 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. Структура литого слитка состоит из трех основных зон (рис. 34).

Первая зона — наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов — дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации.

В результате корка получает мелкозернистое строение. Вторая зона слитка — зона столбчатых кристпллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое 47 жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т.

е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы. Третья зона слитка — зона равнооснык кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. «Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние, вследствие образования в различных ее точках Рнс. За. Транскрнсталлнаапна слитка алщмнннеаой бронзы Ркс.

36. Расположение усалочной ракоанам н пустот а слнткак спокойной (а) н кнпещей )б) сталей зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями — ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом» (Чернов Д. К.). В результате этого процесса образуется равноосиая струи- тура. Зародышами кристалла здесь являются обычно различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле. В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочиостью. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название лтранскристаллизации.

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. Этн факторы будут влиять иа скорость теплоотвода н образование больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т. д.

Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствует увелнчению доли столбчатых кристаллов н может повести к полной транскристаллизацнн, как зто показано на рнс. 35, и; при несколько 4з замедленном охлаждении в центре слитка образуется зона равноосных кристаллов (рнс. 35, б). Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавп1ийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочнылги 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. Зб,а). Недостаточно раскислеиная, так называемая кипли7ал СтаЛЬ, СОдЕр>инт раКОВИНЫ Рис. Зт. Мвкроструктура мтампаавааого алепана 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 '.

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. ' 6. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм Атомы данного элемента могут образовать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку.

Однако устойчивым, а следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии. Так, например, в твердом состоянии литий, натрий, калий, рубидий, цезий, молибден, вольфрам и другие металлы имеют объемноцентрированную кубическую решетку; алюминий, кальций, медь, г Аннзотропия свойств деформированных изделий в сильной степени зависит от наличия пеметаллических включений, располагающихся при деформации в строчки, идущие вдоль волокон.

' Точнее, следует стремиться к тому, чтобы расположение волокон совпадало с направлением главных усилий в деталях при работе, Илтарнал тамнарнтур, устоечннотр. состояння, 'с Крнсталлнчаснан рематне Аллотро. пнчасная Форма Металл !аламант! . <911 1392 — 1639 911 †13 '-Кубическая объемноцентрнроввнввя (Кб) Кубнческзя грзяецентрироввиввя (К12) Со <460 460 — 1480 Гексегонзльнвя (Г12) Кубическая грзнецеитрнровзяяея (К12) <18 18 — 232 Решетка алмаза Тетрегонзльнзя объемноцентрнрозввнзя Мп <700 700 — 1079 !079 †11 1143 †12 Кубвческвя сложная мпоговтомнвя То же Тетрвгонвльнзя грзнецентряровзнизя Кубическая объемноцевтрнровзннзя (К8) а р Т! <882 882 — 1660 Гексзгонзльвзя (Г!2) Кубическая объемноцентрвроввннзя (Кб) Ег <867 867 — 1860 Гексегонвльнвя (Г12) Кубическая объемноцентряроввнявя (Кб) <668 668 — 720 720 — 1! 32 Орторомбнческвя Тетрзгонвльнви Кубическая объемиоцентрировенявя (К8) серебро, золото, платина н др.

— гранецентрнрованную, а бериллий, магний, цирконий, гафний, осмнй н некоторые другие — гексагональную. Однако в ряде случаев прн изменении температуры нлн давления может оказаться, что для того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была прн другой температуре нлн давлении. Так, например, существует железо с решетками объемноцентрнрованного н гранецентрнрованного кубов; обнаружен кобальт с гранецентрнровзнной н с гексагональной решетками. В различных решетках крнсталлизуются также олово, марганец, титан н некоторые другие металлы.

Существование одного металла (вещества) в нескольких крнсталлнческнх формах носит название полиморфизма, нлн адлотролии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, нли аллотроличеекими модификациями. Небольшие изменения дзвлення, которые могут возникать в практике, обычно не приведут к полнморфным превращениям. Поэтому для практического мятзлловедення взжнз главным обрезом темперзтурнзн зллотропня. В табл.

10 показан интервал температур существования различных аллотропнческнх форм некоторых, имеющих практическое значение металлов, у которых обнаружена температурная аллотропня Т з б л и ц з 10. Аллотропическве фермм металлов Аллотропические формы обозначаются греческими буквами Вх, (1, у и т. д., которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Аллотропнческая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через а, следующая— через (1 и т. д.