книги / Определение структуры литого металла

После горячей механической обработки (ковки, прокатки и прессовки) дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и образуют волокна. При наилучшем расположении эти волокна распределяются вдоль контура изделия, что оказывает положительное влияние на его механические свойства.

Рассмотрим процесс кристаллизации стали при разливке ее в формы, называемые изложницами.

Начинается кристаллизация при значительной степени переохлаждения, особенно у наружных стенок и дна. В первой зоне образуется большое число центров кристаллизации. В сплаве возникает большое количество мелких произвольно ориентированных кристаллов. Эта зона называется зоной мелких равноосных кристаллов (рис. 4, зона I). Размер дендритов в этой зоне обусловлен неровностью стенок изложницы.

Вторая зона – зона столбчатых кристаллов. Они образуются в условиях интенсивного направленного теплоотвода (рис. 4, зона II). После образования корки условия теплоотвода меняются. Из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается. При этом уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти ориентированные в направлении отвода тепла столбчатые кристаллы.

Третья зона – зона крупных равноосных кристаллов (рис. 4, зона III), образующихся в условиях отсутствия направленного теплоотвода и низкой степени переохлаждения.

Различные сочетания факторов, влияющих на кристаллизацию, приводят к своеобразной структуре стальных слитков.

В начале кристаллизации на поверхности жидкого металла образуется тонкая корочка. Поскольку жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, то залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме. Это приводит к образованию пустот – усадочных раковин. Ко-

12

рочка на поверхности прогибается, и под ней образуется усадочная раковина 1, заполненная газами. Когда последние порции жидкой фазы прошли вниз для заполнения промежутков между кристаллами, под усадочной раковиной переплетение кристаллов образует усадочную рыхлоту 2. 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.

После кристаллизации верхняя часть слитка спокойной стали отрезается и отправляется в переплав.

Рис. 4. Строение металлического слитка после кристаллизации

Форма и размер зерен в слитке зависят от условий кристаллизации:

–температуры жидкого металла;

–скорости и направления отвода тепла;

–наличия примесей в металле;

–применения модифицирования.

13

Используя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще (рис. 5). Например, в случае сильного перегрева металла перед заливкой в маленькую холодную изложницу (быстрое охлаждение) зона столбчатых кристаллов может заполнить весь объем слитка. Такая структура называется транскристаллической. Она состоит практически из одних столбчатых кристаллов (рис. 5, а). Такую структуру имеют слитки очень чистых металлов. Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и слитки с транскристаллической структурой часто растрескиваются. Поэтому для малопластичных сплавов, в том числе и стали, нежелательно развитие зоны столбчатых кристаллов.

Для пластичных металлов и сплавов (меди, алюминия и т.д.), наоборот, желательно развитие зоны транскристаллизации. Столбчатая структура, характеризующаяся определенной ориентировкой кристаллов в литом изделии, приводит к анизотропии свойств (зависимости свойств от направлений в кристаллической решетке). Анизотропия свойств является характерной особенностью любого монокристалла. Например, монокристалл меди может дать изменение прочности σ от 14 кг/мм2 до 36 кг/мм2 в зависимости от направления действия силы. Свойства реальных поликристаллических тел вследствие произвольного расположения зерен будут в различных направлениях примерно одинаковыми. В случае же ориентированной кристаллизации (транскристаллизации) и у них проявляется анизотропия свойств. Транскристаллическая структура в сварных швах уменьшает прочность.

Для большинства изделий очень важно получить металл, однородный по химическому составу и обладающий определенными, одинаковыми по всему объему механическими свойствами. Наиболее желательной в этом смысле является структура, состоящая из равноосных, произвольно ориентированных кри-

14

сталлов (рис. 5, б). Такая структура может быть получена при равномерном охлаждении затвердевающего металла (например, при заливке в хорошо подогретую изложницу).

аб

Рис. 5. Схемы макроструктур слитков:

а – столбчатые кристаллы; б – равноосные кристаллы

Ликвация – неоднородность сплава по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям, образующаяся при кристаллизации слитка. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства. В реальных слитках помимо зональной встречаются и другие виды ликвации: внеосевая, дендритная, карбидная, подусадочная, угловая, гравитационная. Например, гравитационная ликвация образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фаз, а также возникает при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз.

15

Анализ макроструктуры

Структура твердого сплава является важнейшим объектом изучения в материаловедении. Выделяют макро- и микроструктуру. Исследуя макроструктуру, определяют наличие видимых дефектов: пор, раковин, царапин, трещин. Это позволяет определять характер разрушения металлического образца.

Используя химические отравители, на поверхности можно количественно определить размер зерна и увидеть границы между зернами, определить химическую неоднородность сплава.

Образцом для исследований в макроструктурном методе является макрошлиф. Макрошлиф вырезается из детали под углом 45о к линии разрушения. Поверхность образца перед исследованием шлифуется, промывается проточной водой, при необходимости травится специальным химическим раствором.

ПОРЯДОКВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙРАБОТЫ

Работа выполняется в следующей последовательности:

1.Получить задание (фотографии микроструктуры слитков в продольном и поперечном сечении выдает преподаватель).

2.Определить зоны, присутствующие в слитках.

3.Изучить строение металлического слитка (см. рис. 4).

4.Схематично зарисовать структуру идеального слитка (см. рис. 4) и слитка в задании. Указать на схемах все зоны.

5.Объяснить и описать условия получения каждой зоны слитка из вашего задания.

16

КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ

1.В чем заключается физическая сущность процессов плавления и кристаллизации?

2.Что такое степень переохлаждения?

3.Какую роль играет разница свободных энергий при кристаллизации?

4.Как влияет степень переохлаждения на размер зерна при кристаллизации?

5.Какие факторы влияют на размер зерна при кристалли-

зации?

6.Что такое модифицирование? Какие способы модифицирования существуют?

7.Как влияет модифицирование на структуру и свойства металлов?

8.Что такое дендрит?

9.Опишите строение слитка: из каких зон он состоит?

10.Как влияют условия кристаллизации на строение слитка?

11.Что такое ликвация? Виды ликваций и методы их уст-

ранения.

12.Что изучает макроструктурный анализ?

17

СПИСОКРЕКОМЕНДУЕМОЙЛИТЕРАТУРЫ

Основная литература

1.Бунин К. П. Металлография: учеб. пособие для вузов / К. П. Бунин, А. А. Баранов. – М.: Металлургия, 1970. – 256 с.

2.Лившиц Б. Г. Металлография: учебник для вузов / Б. Г. Лившиц. – М.: Металлургия, 1990. – 423 с.

3.Шанк Ф. А. Структуры двойных сплавов: пер. с англ. / Ф. А. Шанк. – М.: Металлургия, 1973. – 760 с.

Дополнительная литература

Учебные и научные издания

4.Белов Н. А. Диаграммы состояния тройных и четверных систем: учеб. пособие для вузов / Н. А. Белов. – М.: Изд-во МИСиС, 2007. – 360 с.

5.Богачев И. Н. Металлография чугуна / И. Н. Богачев. – Свердловск: Металлургиздат, 1962. – 368 с.

6.Захаров А. М. Диаграммы состояний двойных и тройных систем: учеб. пособие для вузов / А. М. Захаров. – М.: Металлургия, 1964. – 293 с.

7.Левинский Ю. В. Р-Т-х диаграммы состояния двойных металлических систем. Методы расчета и построения / Ю. В. Левинский, М. П. Лебедев. – М.: Научный мир, 2014. – 199 с.

8.Мальцев М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов (с прил. Атласа макро- и микроструктур) / М. В. Мальцев. – М.: Металлургия, 1970. – 364 с.

9.Металлография сплавов железа: справочник: пер. с нем. / Н. Лямбер [и др.]. – М.: Металлургия, 1985. – 248 с.

10.Бернштейн М. Л. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справочник: в 3 т. – Т. 2. Строение стали и чугуна. – М.: Интермет Инжиниринг, 2005. – 526 с.

18

11. Юм-Розери В. Введение в физическое металловедение: пер. с англ. / В. Юм-Розери. – М.: Металлургия, 1965. – 204 с.

Периодические издания

12. Металловедение и термическая обработка металлов: науч.-техн. и производственный журнал. – М.: Машинострое-

ние, 1955– .

Нормативно-технические издания

13. Марочник сталей и сплавов / сост. А.С. Зубченко [и др.]; под ред. А. С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2011. – 218 с.

Методические указания для студентов по освоению дисциплины

14.Силина О. В. Структура и свойства железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии: учеб.-метод. пособие / О. В. Силина, Д. О. Панов, А. П. Каменских. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 23 с.

15.Силина О. В. Определение микроструктуры Fe-C сплавов: метод. указания: в 2 ч. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021.

19