Строение металлического слитка

Образование центров кристаллизации и рост зерен

Д. К. Чернов в 1878 г. установил, что процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 8.6.). Зародышами или центрами кристаллизации являются микрообъемы металла внутри жидкости, имеющие правильное расположение атомов в соответствии с кристаллической решеткой данного металла.

Центры кристаллизации самопроизвольно возникают при переохлаждении металла. Роль переохлаждения при кристаллизации весьма велика. Не все возникшие атомно-кристаллические группы-зародыши могут стать центрами Кристаллизации. Очень маленькие зародыши, возникнув, затем снова растворяются, т. е. являются неустойчивыми. Чем ниже температура кристаллизации, т. е. чем больше степень переохлаждения, тем устойчивее будут мелкие зародыши, которые могут стать центрами кристаллизации. Минимальный размер зародыша, способного при данной температуре стать устойчивым центром кристаллизации, называется критическим размером зародыша. Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения, т. е. скорости отвода тепла от кристаллизующейся жидкости. Чем больше степень переохлаждения, тем более устойчивы мелкие зародыши, т. е. тем меньше критический размер зародыша.

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам присоединяются все новые атомы из жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается, и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами (рис. 8.6.).

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна, а, следовательно, ина свойства металлов. Оба эти фактора зависят от степени переохлаждения, которая в свою очередь определяется скоростью охлаждения. При увеличении степени переохлаждения жидкости в ней возникает большое число зародышей (ч. ц.), которые быстро растут (с. к. (скорость роста кристаллов) тоже большая), затвердевание происходит интенсивно и образуются мелкие зерна. Это схематично показано на рис.8.7.

При заливке в форму (изложницу) большой массы металла затвердевание не может идти одновременно во всем объеме слитка, оно начинается у мест, от которых отводится тепло - у стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь формы. Поэтому в слитке наблюдаются области (зоны) с неодинаковым строением кристаллов (зерен).

Схема строения стального слитка приведена на рис. 8.8, а, а ориентировка кристаллов в различных зонах на рис. 8.8, б. Как видно из приведенной схемы, в слитке имеются три структурные зоны. Первая, наружная, зона 1 - мелкие равноосные кристаллы. Они образуются при соприкосновении расплавленного металла с холодными стенками изложницы; металл переохлаждается и возникает значительное число центров кристаллизации, тем более, что посторонние твердые частицы и выступы на поверхности изложницы создают дополнительные центры кристаллизации.

Зона 1 распространяется на не большую глубину.

Зона 2 характеризуется образованием крупных столбчатых кристаллов, которые растут перпендикулярно стенкам и дну изложницы, в сторону, обратную направлению отвода тепла от жидкости.

Зона 3 состоит из различно ориентированных равноосных кристаллов разного размера, но они всегда больше, чем кристаллы зоны 1.

Столбчатые кристаллы для малопластичных металлов с точки зрения механической прочности нежелательны. Особенно непрочными являются места встречи дендритов, растущих от разных стенок изложницы. Они являются местами образования различных дефектов - пустот, неметаллических включений и т. п.

Рис.8.8. Схема строения слитка (а) и роста дендритов (б)

Дата добавления: 2014-01-14