Строение металлов и сплавов

Основным конструкционным материалом прошлого и настоящего веков являются железоуглеродистые сплавы. Сплавом металла (металлическим сплавом) называют твердые и жидкие системы, образованные сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами.

Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (где углерода до 2,14%) и другими элементами.

Чугуном называют сплав железа с углеродом (где углерода более 2,14%), содержащий также постоянные примеси (Si; Mn; P; S), а иногда и легирующие элементы, который затвердевает с образованием эвтектики.

Для эффективного использования металлов и сплавов необходимо знать особенности их строения и возможности воздействия для целенаправленного изменения свойств изделий из них.

Металлы являются кристаллическими телами. При этом металлическое тело может быть поликрасталлическим, состоящим из множества произвольно ориентированных кристаллитов или зерен (разделенных высокоугловыми границами) или монокристаллическим, т.е. состоящим из одного кристалла или зерна, имеющего единую кристаллическую решетку (например, в авиационной промышленности широко используются технологии изготовления лопаток турбин современных двигателей из монокристаллов).

В кристаллических телах атомы занимают в пространстве строго определенные места и находятся друг от друга на определенном расстоянии, образуя при этом кристаллическую решетку (рис.24).

Железо (Fe) -переходный элемент VШ группы 1V периода Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 26, атомная масса железа 55,85. Железо в природе может существовать в виде 4-х стабильных изотопов:

⁵⁴ Fe (5,84%); ⁵⁶ Fe (91,68%); ⁵⁷ Fe (2,17%); ⁵⁸ Fe (0,31%)

По энергетическим уровням 26 электронов атома железа распределены следующим образом: 1s² 2s²2p⁶ 3s² 3p⁴3d⁶ 4s² ( наружная электронная оболочка имеет конфигурацию 3d⁶4s²).

В железоуглеродистых сплавах кроме жидкой фазы в зависимости от температуры и давления могут образовываться три типа кристаллической решетки (рис.24,25,26,27) с металлической связью (соответственно три фазы с свойственными им свойствами)- g- гамма (ГЦК - гранецентрированная кубическая); a- альфа (ОЦК –объемноцентрированная кубическая); d -дельта (ОЦК - объемноцентрированная кубическая).

Важной особенностью сплавов железа с углеродом является образование на базе полиморфных модификаций железа – d, g и a соответствующих им твердых растворов углерода (рис.24-28):

-d-феррита – твердого раствора углерода в решетке d - железа;

-аустенита – твердого раствора углерода в решетке g - железа;

-a-феррита – твердого раствора углерода в решетке a - железа.

d-Fe	g-Fe	a-Fe

Рис.24 -Элементарные ячейки полиморфных модификаций железа

Рис.25 - Диаграмма фазового равновесия железа - влияние температуры и давления на полиморфные модификации Fe(штрих-пунктирной линией указан уровень атмосферного давления) [Рахштадт А.Г., Капуткина Л.М. и др.].

лла
Рис.26 -Диаграмма фазового равновесия железа - влияние температуры и давления на полиморфные модификации Fe [Лысак Л.И. и др.]	Рис.27 - Диаграмма состояния железа в координатах «температура-давление».

При высоких давлениях устойчивой может быть e -эпсилон фаза (ГПУ -гексогональная плотноупакованная). При низких давлениях железо переходит в газообразной состояние «железный газ» с очень слабой вандерваальсовой межатомной связью. При очень высоких температурах железный газ ионизируется и переходит с состояние плазмы.

Свойства металлических материалов определяется их фазовым составом, распределением и морфологией фаз, а также степенью их дефектности. При изменении температуры, давления, химического состава в сплаве могут происходить фазовые превращения, приводящие к возникновению одних и исчезновению других фаз. Зная и используя закономерности протекания фазовых превращений, возможно в широких пределах изменять структуру и свойства сплавов без изменения их химического состава, что широко и используется при термической обработке.

Возможность изменения свойств металла в процессе термической обработки объясняется явлением полиморфизма (от греческого- многообразный) или аллотропии (термины полиморфизм и аллотропия не являются синонимами, а только применительно к металлам эти понятия совпадают). Явление полиморфизма характерно для многих металлов и сплавов. Температуры, при которых происходят полиморфные превращения (рис.28 или диаграмму Fe-C на рис.9), называют критическими (критические температуры или критические точки). При определенных температуре и давлении в металле будет существовать та фаза, у которой более низкий уровень свободной энергии (свободная энергия Гельмгольдца).

На рис.28 наглядно видно положение критических точек А₄; А₃; А₂ относительно температурной шкалы. При этом для температуры точки А₂ характерно изменение магнитного состояния металла, полиморфного превращения при этой температуре нет.

Рис. 28 -Кривая охлаждения железа

Обозначение на диаграмме Fe-C (рис.30) основных температурных точек буквами “А” с цифрами или индексами имеет глубокие исторические корни и исходит от обозначения критической точки “ а” Чернова (ныне соответствует А_r1 на современной диаграмме), для которой он сформулировал понятие, соответствующее температуре нагрева под закалку.

Самой низкой температуре интервала Ф. Осмонд присвоил символ “а₁”, а для самой высокой температуры – “а₃”. А в связи с тем, что температура критических точек при нагреве и охлаждении металла менялась (наблюдался гистерезис, Осмондом были введены еще и добавочные индексы к буквенному обозначению точек “а”:

- c → (а_С1) – для обозначения критической точки при нагреве (chauffage);

- r → (а_r1).– при охлаждении (refroidissement).

Следует еще раз отметить тот факт, что принятое обозначение критических точек при нагреве А_С, а при охлаждении – А_r связано и с тем, что температуры фазовых превращений при нагреве и охлаждении не совпадают – обусловлено явлением теплового гистерезиса. Впоследствии, когда появились приборы и методики для точного определения температуры металла, используя термический и магнитный методы анализа, учеными были установлены следующие критические точки для системы Fe-C (приведена последовательность при нагреве):

А₀ – точка Кюри цементита (217⁰С);

А_C1 – соответствует температуре начала перехода перлита в аустенит – температура эвтектоидного равновесия, линия PSK диаграммы Fe-C;

А_C2 – точка Кюри железа (феррита)- выше этой температуры (769⁰С) железо немагнитно, обозначается линией MO на диаграмме Fe-C;

А_C3 – соответствует температурам линии GS диаграммы Fe-C (выше этих температур полностью завершается полиморфное превращение о.ц.к. решетки в г.ц.к (a®g) для доэвтектоидных сталей), Аcm (индекс “ cm ” от слова cementite - цементит) соответствует температурам линии ES для заэвтектоидных сталей. Аcm для заэвтектоидных сталей тождественна А_С3.

Называют эту критическую точку Аcm (линия между точками ES) в связи с тем, что при нагреве сталей выше этой температуры происходит растворение цементита вторичного в аустените, а при обратном процессе, т.е. при охлаждении из однородного состояния, из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита вторичного;

А_C4 – температура обратного перехода г.ц.к. решетки в о.ц.к. (g®a), соответствует линии NH диаграммы Fe-C.

Диаграмма Fe-C публикуется в литературе обычно с двойными линиями, что следует трактовать как наложение на один рисунок двух диаграмм – стабильной (в условиях медленного охлаждения углерод выделяется в виде стабильной фазы –графита, т.е. диаграмма железо-графит) и метастабильной (неустойчивой), отвечающей условиям кристаллизации, отличающимся от стабильных, т.е. при больших степенях переохлаждения системы Fe-C, в отсутствии готовых графитных зародышей и др. факторов, углерод выделяется в виде цементита (нестабильная диаграмма железо-углерод).

На диаграмме Fe-C видны следующие превращения, характерные для этой системы:

- перитектическое превращение d + Ж → g при 1499⁰С

- эвтектическое – Ж→ g + Fe₃C при 1147⁰С

- эвтектоидное - g → a + Fe₃C при 727⁰С

Фазовая диаграмма Fe-C показывает количество фаз, их состав, к которому стремится система в условиях равновесия при данной температуре (Кириллов Ю.Л.).

Наиболее часто основным примесным элементом в сталях и чугунных является углерод, для которого известны следующие полиморфные модификации углерода:

алмаз	графит	фуллерен (молекула С60)
http://aboutstones.ru/Article.aspx?id=188	http://aboutstones.ru/Article.aspx?id=188

В сплавах Fe-C при концентрации углерода 6,67% образуется химическое соединение Fe₃C – цементит (рис. 29).

http://ru.wikipedia.org

а б в

Рис.29 -Модель (а), параметры кристаллической решетки цементита (б) и пример структуры вторичного цементита в стали с 1,56%С (´1000)

Рис. 30- Метастабильная (неустойчивая) диаграмма Fe-C

Наиболее часто основным примесным элементом в сталях и чугунных является углерод, для которого известны следующие полиморфные модификации углерода:

Рассматривая явление полиморфизма железа следует отметить, что если к железу приложить высокое всестороннее давление выше 135 кбар (1 кбар = 1000бар; 1бар=1,02 атм = 10⁵н/м² ; 1 кбар соответствует давлению в 1020 атмосфер. К примеру, давление в центре Земли примерно 3000 кбар), то появляется новая полиморфная модификация (фаза) с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой, которая называется e (эпсилон) - фазой (рис.25-27), которая существует в широком интервале температур. Эта модификация чистого железа при нормальном давлении не существует ни при каких температурах. Однако, если железо легировать марганцем или рутением, либо иридием, то при атмосферном давлении в сплавах появляется e- фаза, которая стабильна в широкой области температур (рис. 31).

Рис.31 -Метастабильная диаграмма системы Fe-Mn [Schumann H]

По мнению ученых (напр. Г. Шуман) в таких сплавах марганец влияет так же, как и внешнее давление. Приложение внешнего давления к металлу»10 кбар (10000бар или»1000МПа) эквивалентно растворению в металле 1% марганца (рис.24-26). На диаграмме железа (в координатах Р-Т, рис.24-26,31) при давлении 130 кбар (»13000Мпа) и температуре 527 ⁰С (в работах Д.А. Мирзаева, К.Ю. Окишева указывается температура 497⁰С и давление 11 ГПа) имеется тройная точка Е, которая соответствует равновесному положению трех модификаций железа. На практике это подтверждается изменением структуры при ударном нагружении металлов и сплавов. Ударное нагружение может осуществляться различными способами, в частности при взрыве на поверхности металла определенного количества обычных взрывчатых веществ (ВВ). Скорость нагружения металла ударной волной может достигать скорости звука и выше, т.е. длительность такого процесса составляет, примерно 10^-9 сек. При этом ударная волна может развивать давление от 10 кбар (для слабых ВВ) до 100 – 1000 кбар и выше.

При таком всестороннем давлении на металл атомы железа сближаются настолько, что перекрываются их электронные оболочки и изменяется их электронная структура, что создает условие для появления e- фазы. Этому также способствует резкое повышение температуры металла в зоне ударного воздействия. Таким образом, полиморфные превращения в железе обусловлены изменением электронного строения железа в результате всестороннего давления или растворения легирующих элементов.

Полиморфные превращения в железе (фазовые переходы 1 рода) имеют свои особенности, которые изучаются в курсах кристаллографии, физики металлов, металловедении и теории термической обработки. Механизм полиморфного превращения подчиняется общим закономерностям кристаллизационных процессов и предусматривает возникновение устойчивого зародыша новой фазы и его рост, при этом кристаллы новой фазы закономерно ориентированы по отношению к исходным.

К характерным особенностям полиморфного (аллотропического) превращения относятся:

- изменение типа кристаллической решетки;

- перекристаллизация;

- тепловой гистерезис.

При рассмотрении кристаллического строения металлов следует отметить, что ориентировка ячеек в соседних зернах различна, а в пределах одного зерна одинакова. Это обусловливает такие понятия как ближний и дальний порядок атомов в кристаллической решетке зерна.

Ближний порядок означает постоянство ближних атомов-соседей у каждого атома, а дальний - удаленных.

У металлов в твердом состоянии валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые при этом становятся положительно заряженными ионами. Такие свободные электроны принадлежат всему зерну и образуют «электронный» газ, который взаимодействует с положительными ионами, обеспечивая при этом целостность кристаллической решетки. Таким образом, в ячейках кристаллической решетки все типы атомов взаимодействуют внешними слоями валентных электронов и межатомные связи обеспечиваются их электромагнитным взаимодействием, обеспечивая морфологическую целостность кристаллической решетки. Такая межатомная связь в кристаллической решетке называется металлической. Прочность металла определяется плотностью упаковки его кристаллической решетки и особенностями строения его атомов (в основном валентного и подвалентного слоев). Известно, что кристаллические решетки металлов твердых растворов и промежуточных фаз характеризуются координационным числом, равным числу ближайших соседей данного атома (для ГЦК И ГПУ -12, для ОЦК -8). Отношение объема, занятого ионами в грамме-атоме, к атомному объему характеризует коэффициент заполнения кристаллической решетки ионами, который при сферической симметрии ионов равен: для ГПУ-0,74; ГЦК-0,74; ОЦК-0,68.

При повышении температуры из-за увеличения частоты и амплитуды колебаний атомов в кристаллической решетке силы межатомного взаимодействия уменьшаются. При аллотропических превращениях изменяются силы связи в кристаллической решетке, что сопровождается изменением атомного объема. В настоящее время в технической литературе приводятся данные (рис.32), показывающие, что в сплавах Fe-C в жидком состоянии (при температурах выше линии ликвидуса - АВС) металл не является гомогенным и для него также характерно состояние, соответствующее понятиям ближнего и дальнего порядка (сравнить с традиционной диаграммой Fe-C на рис.30).

Рис.32 - Строение (ближний порядок) расплавов в системе железо-цементит –фрагмент диаграммы –сравнить с рис.8 [ Филиппов Е.С., Крестовников А.Н. ]

Упорядоченность в расположении атомов в кристаллической решетке металлов после их кристаллизации (первичной и вторичной) предопределяет и различия в свойствах в отдельных кристаллографических направлениях и плоскостях (рис. 33-37). Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие, например, из вершин куба, т.е. ребра [100]; [010 ]; [001] или диагонали граней куба [011]; [111]; [110]; [ 101]. Их принято обозначать индексами Миллера. Для определения индекса направления надо найти координаты ближайшего к точке отсчета атома, лежащего на этом направлении, выраженные через параметр решетки. Например, координаты ближайшего атома вдоль оси 0Х (рис.) выражаются через цифровое соотношение 100 – т.е. таким образом обозначаются направления вдоль оси 0Х и параллельных ему направлений [100], соответственно по оси 0Y - [010], а по оси 0Z - [001].

Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагонали.

Рис.33-Основные кристаллографические направления (а) и плоскости (б, в, г) в кубической ячейке

Рис.34 -Плоскости скольжения в трех типах решетки металлических кристаллов: -кубической гранецентрированной (ГЦК); -гексагональной плотноупакованной (ГПУ); -кубической объемноцентрированной (ОЦК) [Бернштейн М.Л.,Займовский В.А.]

Рис.35 -Три возможных направления скольжения в решетке a-Fe (ОЦК) при пластической деформации, преимущественным является [111] – самое кратчайшее [Бернштейн М.Л.,Займовский В.А.]

Рис.36 - Положение элементарных ячеек кристаллической решетки в листе с ребровой (а) текстурой (текстурой Госса) и кубической (б) текстурой. Направление прокатки анизотропной стали показано стрелкой

Рис.37 -Ориентация кристаллографических направлений скольжения в решетке a-Fe (ОЦК) в листе изотропной электротехнической стали с ребровой текстурой (текстурой Госса) и кубической текстурой.

Процесс производства любого вида изделий из металла начинается с подготовки шихты, процесса ее расплавления (получение жидкого металла) и разливки в формы (изложницы) для получения слитка.При непрерывной разливке жидкого металла и его последующей кристаллизацией в машинах получается непрерывный слиток, который затем режется на мерные длины. В процессе кристаллизации металл сосуществует достаточно длительное время в двухфазном состоянии – жидком и твердом (кристаллы).

Согласно существующим представлениям при достижении температуры линии ликвидуса - ABCD диаграммы «железо-углерод» (рис.8,9) и даже при перегреве существенно выше ее в жидком расплаве наблюдается неоднородность строения, которая определяется связью между ближним порядком расплава и пределом растворимости примеси как в твердой, так и в жидкой фазе. В технической литературе существует много гипотез, которые делают попытки установить причины взаимосвязи структурных состояний (твердого и жидкого) и их влияние на свойства сплавов, а также объяснить механизмы и закономерности перехода из твердого в жидкое состояние и обратно.

Установлено, что для каждого химического состава стали существует своя оптимальная температура нагрева расплава при выплавке (называемая критической), при достижении которой расплав приобретает наиболее гомогенное строение (условно), что обеспечивает соответственно приемлемое гомогенное строение этого металла в твердом состоянии (после кристаллизации) и является причиной получения в металле максимальной пластичности.

Слиток – литая заготовка, полученная после кристаллизации и затвердевания металла и используемая для получения металлопроката, поковок или других видов металлопродукции в процессе последующей обработки давлением (прокатки, ковки и др.).

В процессе разливки и контакта жидкого металла с материалом изложницы жидкий металл охлаждается и при его переохлаждении ниже температуры линии (ликвидус- ABCD) на диаграмме «железо-углерод» (рис. 30) в жидкости начинают образовываться и расти кристаллиты твердого металла (рис.38). Известно, что любой самопроизвольно развивающийся процесс возможен только при условии уменьшения свободной энергии системы, т.е. свободная энергии твердой системы меньше, чем жидкой. Составной частью свободной энергии системы является поверхностная энергия. Согласно второму закону термодинамики новая фаза формируется в общем случае с шаровидной поверхностью, обеспечивающей минимальный уровень энергии такой системе. На рис. 38 приведена схема последовательности стадии роста шаровидных кристаллов при переохлаждении жидкого расплава (В.Ф. Парвов)

1) 2) 3)

Рис. 38 -Стадии зарождения, роста, столкновения кристаллов (зерен) правильной формы (1). После столкновения зерен и их сростания (2-3) свободный рост прекращается и частицы (кристаллиты) могут иметь неправильную форму.

Для кристаллов уровень поверхностной энергии различен и поэтому кристалл, находящийся в равновесии с раствором или расплавом, принимает такую огранку, при которой его поверхностная энергия будет иметь наименьшее значение, а расти будет та его грань, поверхностная энергия которой больше.

Для сплавов железо-углерод равновесной формой кристаллизации является октаэдр. На рис. 39 приведены дендриты-октаэдры, которые были извлечены из закристаллизовавшегося стального слитка. Кристаллизация стальных слитков протекает наиболее часто путем образования зародышей и их роста в виде дендрита (древоподобного кристалла), имеющего оси первого порядка (главные), второго, третьего порядков (рис.40-42).

А- вид сбоку; б- вид сверху;

Рис. 39 - Дендриты – октаэдры, извлеченные из усадочной раковины стального слитка

Оси второго порядка располагаются перпендикулярно осям первого порядка, а оси третьего порядка перпендикулярно осям второго порядка и т.д. Этот процесс наиболее массово происходит в местах контакта жидкого металла с холодными стенками изложниц (холодильников). Между отдельно растущими дендритами (между ветвями дендритов) при кристаллизации находятся объемы жидкого металла (так называемые межкристаллитные дворики), в которых химический состав металла существенно отличается от состава металла кристаллов первого и других порядков. Именно в эти объемы жидкого металла вытесняются все примеси при кристаллизации осей первого и других порядков и там скапливается большая часть неметаллических включений. Особенно сильно эта зависимость прослеживается при кристаллизации легированных и высоколегированных сталей и сплавов. На рис. 40 показаны наиболее часто встречающиеся формы кристаллов, образующиеся при кристаллизации металлов и сплавов.

Рис.40 -Схема дендритного роста кристаллов в переохлажденном расплаве: а - дендритный кристалл; б - ячеисто-дендритный; в - ячеистый Еще в 30-х годах прошлого столетия Б.Ф. Ормонт - сотрудник физико-химического института им. Л.Я. Карпова предложил гинетическую систематику кристаллов, которая подразделяла типы кристаллов в зависимости от условий их образования.

Рис.41 - Последовательность стадии дендритной кристаллизации, характерной для металлов при переохлаждении жидкого расплава [В.Ф. Парвов]

В слитке (рис.42,43) кристаллы при охлаждении жидкого металла ниже температуры линии ABCD (ликвидус) диаграммы фазового равновесия растут «внутрь и вверх», т.е. от поверхности изложницы к центру и от донной части вверх.

После завершения процесса кристаллизации металлов и сплавов хорошо различаются по сечению слитка три зоны дендритного строения:

1 зона – поверхностная зона из произвольно ориентированных мелких дендритов;

П зона – зона столбчатых кристаллов (параллельно ориентированные дендриты), растущих перпендикулярно к стенкам изложницы – называется транскристаллизационной зоной;

Ш зона – внутренняя зоны, состоящая из крупных и мелких, произвольно ориентированных дендритов (в ранних публикациях назывались глобулярными).

А-строение одиночного дендрита; Б- дендритное строение металла по сечению слитка: Рис.42–Дендритное строение в металлическом слитке

Рис.43 -Схема строения стального слитка при различных способах его получения:

а - отлитого в изложницу; б - переплавленного в водоохлаждаемом кристаллизаторе; в - полученного при непрерывной разливке; 1-мелкие равноосные зерна; 2 – столбчатые зерна; 3 – крупные равноосные зерна; М – зона транскристаллизации.

Главными факторами дендритной ликвации являются:

- скорость фронта кристаллизации;

-градиент температуры на этом фронте.

Дендритную структуру характеризуют такие параметры: расстояние между осями дендритов и коэффициент ликвации - отношение наибольшей и наименьшей концентрации элемента в осях и межосных промежутках дендритов.

При кристаллизации металла первые затвердевшие объемы (кристаллы, дендриты) получаются более чистыми, чем исходная жидкая сталь. Это явление в литературе называют отрицательной ликвацией и под ним подразумевают, что затвердевшая часть металла при кристаллизации содержит меньше углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и т.д. элементов, чем исходная жидкая сталь. Соответственно, металл, который затвердевает позже, имеет большую концентрацию этих элементов, что называют положительной ликвацией.

Слиток каждой марки стали и плавки углеродистых и легированных сталей во всем его объеме химически неоднороден (по углероду, кремнию, марганцу, сере, фосфору и т.д.). Степень химической неоднородности металла слитка определяется прежде всего размерами дендритов (соответственно и размерами междендритных двориков) – чем мельче дендриты (и дендритные дворики), тем меньшая химическая неоднородность металла.

Химическая неоднородность металла, образующаяся в процессе кристаллизации стального слитка (т.е. при переходе от жидкого к твердому состоянию), называемая ликвацией – в технической литературе еще называют микросегрегация.

Ликвацию подразделяют:

- на дендритную (внутрикристаллическая, т.е. в пределах одного дендрита между осями разных порядков);

- на зональную (т.е. по сечению слитка), которая представляет наибольшую опасность для деформируемых слитков. В литературе этот тип ликвации еще может подразделяться на нормальную (обычную), которая характеризуется обогащением средних слоев слитка наиболее легкоплавкими составляющими сплава (наиболее характерна для стальных слитков) и обратную ликвацию, характеризующуюся обогащением периферийных слоев слитка лекоплавкими составляющими, которые могут проникать на поверхность слитка и образовывать ликвационные наплывы;

- по удельному весу (в стальных слитках встречается наиболее часто при кристаллизации подшипниковых сталей), характерна для сплавов, в которых в первую очередь кристаллизуются кристаллы, отличающиеся по удельному весу с жидкостью.

Дендритная ликвация подчиняется закономерностям, известным для замерзания воды (закон предпочтительного вымерзания) – первыми образуются кристаллы более чистые по примесям, а в жидкий металл вытесняются все примеси (углерод, азот, легирующие элементы, неметаллические включения и др.). Возникающая в процессе кристаллизации дендритная ликвация сохраняется на всем протяжении технологической цепочки изготовления металлоизделий (после предварительной термообработки слитка, поковки, ОМД, финишной термообработки), особенно устойчива она в легированных сталях. Чем крупнее слиток, тем сильнее в нем ликвация, при этом в верхней части слитка ликвация больше (большая длительность процесса кристаллизации), чем в нижней.

Размер образующихся при кристаллизации жидкой стали дендритов (соответственно и степень ликвации) зависит от скорости охлаждения изложницы и металла в ней (рис. 44).

1 –охлаждение с печью; 2–направленная кристаллизация (главные оси столбчатых дендритов почти параллельны оси слитка); 3 –объемная кристаллизация

Рис. 44 -Зависимость расстояния между осями дендритов от скорости охлаждения металла при кристаллизации[В.М. Доронин]

На рис. 45 представлены микроструктуры Fe-C сплавов, наглядно демонстрирующие особенности дендритного строения рис.45 а,б –мелкие и крупные дендриты), зеренной структуры металла после грануляции (рис.45 в) и выделения на границах первичных аустенитных зерен (рис.45 г).

Ниже представлены экспериментальные данные о однородности металла (в приграничных объемах и по объему зерен), полученные современными методами исследования химического состава стали с концентрацией углерода 0.62% (А.А. Кононенко и др.).

Из приведенных данных(рис. 46) видно, что в данной стали наиболее сильно ликвируют такие элементы как кремний, фосфор, марганец, медь. Распределение химических элементов, вызванное дендритной ликвацией при кристаллизации стали с 0,62% С.

А)	Б)
В) х50	Г) х500

Рис. 45 - Микроструктура Fe-C сплавов

х250

Рис.46 – Результаты исследования химического состава ликвационных зон Fe-C сплава

На рис. 46;47;48 представлены данные, наглядно показывающие степень ликвации фосфора в стали (А.И. Яценко и др.)

Рис. 46- Следы химической неоднородности первичного a(d) -феррита при прямой дендритной ликвации фосфора в стали с 0,02% С и 0,03% Р. 1 – обедненные фосфором осевые зоны a(d) -дендритных ветвей, 2 – обогащенные фосфором междуветвия. – ´50	Рис.47- Прямая ликвация фосфора (распределение в Кa излучении) в доперитектической стали с 0,1% С и 0,4% Р. ´320	Рис.48- Двойная ликвация фосфора (распределение в Кa излучении) в перитектической стали с 0,4% С и 1,3% Р. ´320

Условия кристаллизации в значительной мере могут менять меха­нические воздействия на кристаллизующуюся сталь, что имеет место, например, при непрерывной разливке, при высокочастотной вибрации, при ультразвуковом воздействии на кристаллизацию, либо при мягком обжиме слитка в конце стадии затвердевания металла. В последние десятилетия с широким внедрением в производство методов непрерывной разливки стали все чаще используется термоциклирование частично закристаллизовавшихся слитков в линии машин непрерывной разливки (МНЛЗ). Эти воздействия оказывают влияние и на степень дендритной ликвации после затвердевания стального слитка.

Таким образом, из вышесказанного следует, что при кристаллизации состав металла (по отношению к жидкому состоянию) изменяеться, между металлом дендрита и металлом межосного пространства (который кристаллизуется в последнюю очередь) возникает дендритная ликвация (первичная, исходная химическая неоднородность металла, иногда называют внутрикристаллическая). Степень дендритной ликвации возрастает от стенки к оси слитка. Сильно ликвируют углерод, сера, фосфор и карбидообразующие элементы (вольфрам, молибден, хром). Углерод усиливает их ликвацию, расширяя температурный интервал кристаллизации. При этом углерод ликвирует и после окончания кристаллизации, уходя в объемы металла с сильными карбидообразующими элементами из объемов с ферритообразующим элементом – кремнием. К осям дендритов ликвируют химические элементы, повышающие температуру плавления сплава (вольфрам, железо). От осей дендритов к межосным пространствам ликвируют примеси, снижающие температуру кристаллизации металла (молибден, ниобий, цирконий, сера, фосфор, сурьма). Примером могут служить обогащенные серой и фосфором объемы металла, которые оттесняются в межосные и междендритные промежутки.

Дата добавления: 2014-10-23