Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Материаловедение

Кристаллизация слитка и его строение

При охлаждении в расплаве стали образуются кристаллы, в результате чего она переходит из жидкого состояния в твердое. Для каждого металла существует своя теоретическая температура кристаллизации (ГД, однако образование кристаллов начинается при температуре Гф, которая называется фактической температурой кристаллизации.

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью (п) переохлаждения.

Если нагреть металл до расплавления, т. е. выполнить обратный процесс, то температура его перехода из твердого состояния в жидкое будет выше температуры ГД и разность между фактической температурой расплавления и температурой Т3 называется степенью перенагревания.

Переходные процессы металла из жидкого состояния в кристаллическое показаны на рис. 1.12.

Чем выше скорость охлаждения, тем больше параметр п.

При достижении температуры Т3 отвод теплоты от расплава на время прекращается, так как выделяется так называемая

Кривые переходного процесса при кристаллизации металла

Рис. 1.12. Кривые переходного процесса при кристаллизации металла

скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации, т. е. после перехода металла в твердое состояние, температура снова начинает снижаться и уже твердое кристаллическое вещество полностью охлаждается.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов:

  • 1) зарождение мельчайших частиц кристаллов — зародышей, или центров, кристаллизации;
  • 2) рост кристаллов из этих центров.

По мере развития процесса кристаллизации в нем участвует все большее число кристаллов. Поэтому вначале процесс ускоряется, до тех пор пока взаимное столкновение растущих кристаллов не начнет заметно препятствовать их росту (как правило, это происходит после закристаллизации 50 % жидкости). Тогда рост кристаллов замедляется.

Пока кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов эта форма нарушается. Форма кристалла зависит от условий соприкосновения растущих кристаллов.

Скорость процесса кристаллизации определяется двумя параметрами: скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов.

Скорости же зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов зависят от степени переохлаждения. Размер образовавшихся кристаллов зависит от соотношения скорости роста кристаллов и числа центров кристаллов, зарождающихся в единицу времени. Так, при малых степенях переохлаждения, когда имеет место большая скорость роста кристаллов и небольшая скорость зарождения центров кристаллизации, образуются немногочисленные крупные кристаллы. И наоборот, при большой степени переохлаждения образуется большое число мелких кристаллов, при этом возрастает и общая скорость кристаллизации.

Форма же образующихся кристаллов во многом зависит от скорости и направления отвода теплоты, а также вида и количества примесей. Так, в направлении отвода теплоты кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. А если на боковой поверхности растущего кристалла возникает бугорок, то кристалл начинает расти и в боковом направлении. В результате образуется древовидный кристалл разветвленной формы — дендрит (рис. 1.13). При образовании дендрита сначала образуются скелеты кристал-

Схема дендрита

Рис. 1.13. Схема дендрита

лов в виде первичных осей бедных углеродом, от которых растут перпендикулярные ветви — вторичные оси, а от них следующие и т. д. В последнюю очередь застывают межосные пространства, заполненные сплавом с большим количеством примесей.

Структура стального слитка имеет три основные зоны (рис. 1.14).

Первая зона — наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов — дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла наблюдается градиент температур. Эффект переохлаждения ведет к образованию большого числа центров кристаллизации, в результате чего корка имеет мелкозернистое строение.

Вторая зона слитка — зона равноосных кристаллов 2, где форма зерен в центре слитка обусловлена слабым влиянием теплоотвода. В результате этого процесса образуется равноосная структура. Зародышами кристалла в этом случае являются различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, — или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле.

Третья зона — зона столбчатых кристаллов 3. После образования корки условия теплоотвода изменяются, градиент температур в прилегающем слое резко уменьшается, и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из не-

Строение стального слитка

Рис. 1.14. Строение стального слитка: 1 — усадочная раковина; 2 — поверхностный слой мелких равноосных кристаллов; 3 — столбчатые кристаллы; 4 — центральная зона беспорядочного ориентирования равноосных кристаллов

большого числа зародышей начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки (т. е. в направлении отвода теплоты) столбчатые кристаллы.

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырьков. Однако в местах стыка столбчатых кристаллов прочность снижается.

Степень развития столбчатых кристаллов зависит от следующих параметров:

  • • химического состава металла;
  • • степени перегрева;
  • • размера слитка;
  • • скорости разливки;
  • • формы и толщины изложницы;
  • • температуры стенок изложницы.

Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка способствуют увеличению образования столбчатых кристаллов.

Жидкий металл имеет объем больший, чем закристаллизовавшийся металл. Поэтому в процессе кристаллизации образуются пустоты — усадочные раковины 1, которые могут быть сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка. Они могут быть заполнены газами, растворимыми в жидком металле, но выделяющимися при кристаллизации. В хорошо раскисленной спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка. В объеме же всего слитка содержится небольшое число газовых пузырьков и раковин. Недостаточно раскисленная кипящая сталь содержит раковины и пузырьки во всем объеме. Поэтому спокойный металл более плотный, чем кипящий.

Форма первичных кристаллов (дендритов) после горячей механической обработки давлением (ковка, прессовка, прокатка и т. д.) видоизменяется. Дендриты вытягиваются по направлению течения металла и превращаются в волокна, в результате чего имеет место различие свойств проката в поперечном и продольном направлениях.

Макроструктура штампованного клапана

Рис. 1.15. Макроструктура штампованного клапана

Наилучшее распределение волокон вдоль контура изделия показано на рис. 1.15.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы