Кристаллизация металлов и сплавов кратко
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рис. 3.1.
Рис.3.1. Изменение свободной энергии в зависимости от температуры
В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.
При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.
Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (
Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).
Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.
При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.
Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.
Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 3.2.
Рис.3.2. Кривая охлаждения чистого металла
. – фактическая температура кристаллизации.
Процесс кристаллизации чистого металла:
До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.
Кристаллизация металлов
Любое вещество может находиться в одном из четырех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Агрегатное состояние определяется энергией взаимодействия атомов. Стабильным (равновесным) при определенных внешних условиях является состояние вещества, при котором оно обладает минимумом свободной энергии. Свободная энергия — часть внутренней энергии вещества. Внутренняя энергия вещества — это сумма потенциальной энергии (энергии взаимодействия) и кинетической энергии частиц (тепловые колебания). Часть внутренней энергии, высвобождающаяся при переходе вещества из одного состояния в другое,называется свободной энергией. Чем больше высвободится свободной энергии, тем меньшей энергией будет обладать вещество, тем более стабильно его состояние. Свободную энергию можно представить как аналог потенциальной энергии (рис. 1).
Рисунок 1 - Стремление системы к уменьшению свободной энергии
В положении 1 шарик имеет максимальную потенциальную энергию. Это положение не является устойчивым, шарик скатывается в положение 2, при котором его потенциальная энергия будет равна 0. Вещество может находиться в метастабильном состоянии (закаленная сталь). Такое состояние не обладает минимумом свободной энергии, но является достаточно устойчивым (стабильным). Вещество в метастабильном состоянии может находиться бесконечно долго при условии постоянства внешних факторов.
Первичная кристаллизация металлов и сплавов. Кристаллизация — это переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллического строения. Это первичная кристаллизация (в отличие от вторичной, когда кристаллы металлических фаз выделяются из твердого вещества).
Рассмотрение кристаллизации для металлов и сплавов на их основе связано с тем, что эти материалы получают методом литья, тогда как многие неметаллические материалы производят другими способами. Ряд неметаллических материалов существует в природном виде (углерод), многие химические соединения получают путем химических реакций: карбиды — карбидизацией, нитриды — азотированием и т.п. Процесс кристаллизации (затвердевания) обусловлен стремлением системы к переходу в более устойчивое термодинамическое состояние. При изменении внешних условий, например температуры, свободная энергия системы меняется различно для жидкого и твердого (кристаллического) состояния (рис. 2). Выше температуры Ts более стабильным
является жидкое состояние, так как металл в этом состоянии имеет меньший запас свободной энергии. Ниже температуры Ts меньшим запасом свободной энергии обладает металл в твердом состоянии. При температуре величины свободных энергий твердого и жидкого состояний равны. Это означает, что металл может находиться в обоих состояниях бесконечно долго, так как переход из одного состояния в другое не будет сопровождаться уменьшением свободной энергии. Температура Ts получила название теоретической температуры кристаллизации.
Рисунок 2 - Изменение свободной энергии (Ts) в зависимости от температуры (Т) жидкого (1) и твердого (2) состояния вещества
Для начала кристаллизации необходимо, чтобы свободная энергия металла в твердом состоянии стала меньше свободной энергии жидкого состояния. Это становится возможным при охлаждении жидкости ниже Ts. Температура, при которой фактически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации (Тк). Охлаждение жидкого металла ниже теоретической температуры кристаллизации называется переохлаждение, а разность между теоретической и фактической температурой кристаллизации — степенью переохлаждения (ΔТ):
Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения жидкого металла. С увеличением скорости охлаждения понижается фактическая температура кристаллизации и, следовательно, возрастает степень переохлаждения. Процесс кристаллизации можно описать с помощью кривых охлаждения, построенных в координатах «температура — время» (рис. 3). Охлаждение в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок 1 кривой охлаждения), при достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка (участок 2 кривой охлаждения), т.е. охлаждение (понижение температуры) останавливается. Это вызвано тем, что отвод тепла компенсируется выделяющейся в процессе кристаллизации скрытой
теплотой кристаллизации. После полного перехода металла из жидкого состояния в твердое температура вновь начинает плавно снижаться (участок 3 кривой охлаждения). Увеличение скорости охлаждения от V1 до V3 приводит к увеличению степени
переохлаждения (см. рис. 3).
Рисунок 3 - Кривые охлаждения металла
Кристаллизация начинается с образования в жидком металле центров кристаллизации и продолжается за счет роста их числа и размеров (рис. 4). Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК),
Рисунок 4- Схема процесса кристаллизации
образующихся в единицу времени в единице объема (1 см 3 /с), и скоростью роста кристаллов (СК ) [мм /с]. Эти параметры зависят от степени переохлаждения, а следовательно, от скорости охлаждения при кристаллизации металла. В соответствии с законом Таммана для каждой степени переохлаждения указанные параметры могут иметь только одно значение (рис. 5).
При теоретической температуре кристаллизации ( Ts) значения ЧЦК и СК равны 0 и кристаллизация происходить не может. При повышении степени переохлаждения значения ЧЦК и СК возрастают, процесс кристаллизации идет быстро. Это объясняется тем, что при высоких температурах, близких к Тs подвижность атомов велика. При определенных степенях переохлаждения значения ЧЦК и СК достигают максимума, после чего снижаются вследствие уменьшения подвижности атомов при низких температурах.
Размер образовавшихся в процессе кристаллизации зерен зависит от соотношения величин ЧЦК и СК, т.е. определяется степенью переохлаждения (скоростью охлаждения
металла в процессе кристаллизации). При малых степенях переохлаждения (низкой скорости охлаждения металла) образуется малое число центров кристаллизации, которые
растут с большой скоростью,---- АТ' (см. рис. 5). В этом случае структура металла после окончания кристаллизации будет крупнозернистой. При больших степенях переохлаждения, напротив, ЧЦК велико, а СК мала (ДГ" - АТ”'), поэтому структура металла получается мелкозернистой.
Если степень переохлаждения настолько велика, что значения ЧЦК и СК близки к пулю, кристаллизации не происходит. При этом образуется твердое тело, имеющее не кристаллическое строение с «правильным» расположением атомов, а аморфное — с хаотическим расположением атомов — «твердая жидкость». Аморфное состояние
характерно для неметаллических материалов (стекла, полимеры). Для получения аморфного состояния у металлических материалов требуется очень большая скорость охлаждения 10 6 . 10 7 °С/с.
Кристаллизация. Строение слитка
Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния металла в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка и возникают кристаллы, называется кристаллизацией. Для начала кристаллизации расплава его надо охладить ниже температуры кристаллизации.
Процесс кристаллизации складывается из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые называются зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров. Модель кристаллизации металла, по мере роста времени пребывания ниже температуры кристаллизации, представлена схемой процесса кристаллизации (рис. 2.13). При этом каждый возникающий центр кристаллизации формирует, впоследствии, зерно поликристалла (рис. 2.12,е), что и объясняет поликристаллическую структуру подавляющего большинства используемых металлов и сплавов. Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые и новые атомы металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, затем при столкновении растущих кристаллов их дальнейший рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы (зерна в поликристалле) имеют произвольную геометрическую форму.
Процесс кристаллизации можно охарактеризовать двумя параметрами: числом центров кристаллизации (ЧЦК), образующихся в единицу времени в единице объема, и скоростью роста кристаллов (СРК). Эти параметры зависят от величины степени переохлаждения относительно температуры кристаллизации, а, следовательно, от скорости охлаждения при кристаллизации металла.
Р и с. 2.13. Схема процесса кристаллизации:
а – е – изменение структура по мере роста времени охлаждения
Величина зерен также зависит от условий кристаллизации и, прежде всего, от скорости охлаждения металла. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше величина ЧЦК по сравнению с СРК и, следовательно, тем меньшего размера получаются зерна. Мелкое зерно при затвердевании металла можно сформировать за счет создания дополнительных искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Процесс искусственного измельчения размеров зерен получил название модифицирование.
В большинстве случаев при литье слитков и отливок в реальных условиях реализуется дендритный рост кристаллов. Из зародышей вырастают древовидные кристаллиты - дендриты (с греч. Δένδρον - дерево). Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870 - 1880 годах Д.К. Черновым.
При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных направлениях кристаллической решетки. Причины этого в анизотропии физических свойств и, следовательно, разных скоростях кристаллизации в разных направлениях формирующегося кристалла или направленности теплоотвода. В результате образуются ветви - оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации под определенными углами (рис. 2.14). При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го порядка, а от них - оси 3-го порядка и т. д. В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита (зерна). Остающаяся часть расплава между дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви.
Р и с. 2.14. Схема дендрита:
1,2,3, - оси дендрита первого, второго и третьего порядков соответственно
Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора - скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации. Закристаллизовавшийся дендрит - литое зерно, выросшее из одного зародыш, центра, с той же кристаллографической ориентировкой. Соседние ветви дендритов могут быть разориентированы на несколько градусов, из-за их изгибов и смещения при кристаллизации. Дендритное строение литых зерен металлов и, в особенности, сплавов хорошо выявляется при травлении микрошлифов и просмотре их с помощью светового микроскопа (рис. 2.15).
При заливке жидкого металла в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Схема строения металлического слитка приведена на рис. 2.16 и 2.17.
Р и с. 2.15. Дендритное строение зерна литого сплава алюминия ×500
Р и с. 2.16. Схема строения слитка в продольном (слева) и поперечном (справа) сечениях:
1 - наружная мелкозернистая корка; 2 - зона столбчатых кристаллов; 3 - зона крупных равноосных кристаллов; 4 - конус осаждения; 5 - усадочная раковина
Р и с. 2.17. Структура поперечного сечения слитка с характерными
зонами: I - наружная мелкозернистая корка, II - зона столбчатых кристаллов,
III - зона крупных равноосных кристаллов ×100
Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из неориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы (форма, куда заливают жидкий металл) в тонком прилегающем слое жидкого металла возникают большое переохлаждение, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.
Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются, градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из-за небольшого числа центров кристаллизации начинают расти в направлении теплоотвода столбчатые кристаллы.
Третья зона слитка - зона крупных равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура.
Образование конуса осаждения в нижней части слитка (зона 4) обычно объясняют опусканием на дно изложницы кристаллов, зародившихся в объеме жидкого металла у фронта затвердевания, а также обломившихся под действием потоков жидкого металла непрочных ветвей столбчатых кристаллов. Это опускание происходит вследствие разности плотности затвердевшего и жидкого металла.
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации уменьшается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами 5. Верхняя часть слитка с усадочной раковиной отрезается.
В слитках сплавов выявляется неоднородность химического состава. Такая неоднородность называется ликвацией.
Ликвация может быть зональная (различная концентрация элементов по зонам сечения слитка), гравитационная (образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фазы, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз), дендритная (более тугоплавкие и чистые элементы преимущественно формируют оси 1 порядка, менее тугоплавкие - 2 и 3 порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси - заполняют межосное пространство).
Процесс кристаллизации металлов
При температуре Тп величины свободных энергий жидкого и твердого состояния равны. Процесс кристаллизации протекает при температуре, меньшей Тп. Для начала затвердевания необходимо переохлаждение (разность энергий). Переохлаждение тем больше, чем больше скорость изменения.
Процесс кристаллизации происходит в два этапа: образование зародышей кристаллов; рост образовавшихся кристаллов.
В реальных металлах центрами кристаллизации являются тугоплавкие частицы и стенки литейной формы.
В чистых металлах центрами кристаллизации служат области с дальним порядком расположения атомов (кластеры), т.е. их строение близко к строению кристаллической решетки.
Чем больше скорость охлаждения (степень переохлаждения), тем более мелкозернистая структура образуется. Если скорость охлаждения порядка 10 5 -10 6 градусов в секунду, получается аморфная структура.
5.Строение металлического слитка. Особенности строения литого и деформированного металла.
Кристаллизация стального слитка идет в три стадии. Сначала на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов за счет влияния холодных стенок формы, которые обеспечивают в начальный момент времени высокую скорость охлаждения. Затем растут большие кристаллы, вытянутые по направлению отвода теплоты (столбчатые кристаллы). В середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются большие равновесные кристаллы. При некоторых условиях (перегретый жидкий металл, малое содержание примесей) зона крупных равновесных кристаллов почти исчезает. Структура слитка состоит практически из одних столбчатых кристаллов - транскристаллическая.
Зона столбчатых кристаллов обладает наибольшей плотностью, но в местах стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси, и такие слитки часто расьтрескиваются при обработке давлением.
В верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Там содержится много количества усадочных пор. Слиток имеет неоднородный состав. По направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей: серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.
Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах.
Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации.
Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.
Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.
При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.
Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.
Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации
С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.
Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700 o С, для латуней и бронз – 560…700 o С, для алюминевых сплавов – 350…450 o С, для титановых сплавов – 550…750 o С.
Кристаллизация металлов и сплавов
По законам термодинамики: в изолированной системе самопроизвольно протекают только те процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы (энергия Гиббса). При кристаллизации происходит образование зародышей, вырастающих затем в кристаллиты (зерна). Минимальный размер зародыша, обеспечивающий его устойчивость, рост и осуществление процесса кристаллизации, называют критическим (рис. 36). В процессе образования зародыша размером rкр происходят увеличение межфазной поверхностной энергии (ΔGS) и уменьшение объемной свободной энергии (ΔGV) расплава за счет появления поверхностей раздела. Общее изменение свободной энергии металла (ΔGобщ) в результате формирования твердой частицы сферической формы радиуса r равно:
ΔGобщ = ΔGV + ΔGS = -Lρ (ΔT/Tпл)(4/3)πr 3 +4πr 2 γт-ж ,
где L – удельная теплота кристаллизации; ρ – плотность металла; ΔT – степень переохлаждения; Tпл – температура плавления металла; γт-ж – удельная поверхностная (межфазная) свободная энергия на границе твердой и жидкой фаз.
|
Рисунок 36 - Зависимость изменения свободной энергии расплава от размера зародышей
Зародыш может сохраняться лишь при условии уменьшения ΔGобщ (при фиксированном переохлаждении ΔT). Однако при малых размерах частицы это условие не реализуется, поскольку отношение площади поверхности частицы к объему слишком велико. Зародыши же размерами, равными и большими критического (rкр), растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Критический размер зародыша определяется из условия:
rкр = 2 γт-жTпл / (LρΔT).
Из последнего уравнения видно, что с уменьшением межфазного натяжения (γт-ж) и увеличением степени переохлаждения критический размер зародыша уменьшается. Процесс зарождения центров кристаллизации количественно оценивается скоростью зарождения центров, т.е. числом центров, возникающих в единице объема (м 3 )за единицу времени (с).
Рост кристаллов характеризуется скоростью роста (с.р.) линейных размеров кристалла. Однородный металл при его охлаждении ниже температуры плавления находится определенное время в жидком состоянии, но оно является метастабильным (неравновесным). Интервалы метастабильности (ΔT) для процессов зарождения центров и их роста не одинаковы: ΔTс.р. меньше ΔTч.ц. На рис. 37 приведены зависимости скорости роста кристаллов и числа центров кристаллизации от степени переохлаждения металла.
Рисунок 37 - Влияние степени переохлаждения на параметры кристаллизации и структуру металла: 1-скорость роста (с.р.); 2-число центров (ч.ц.)
Экстремальный характер обеих зависимостей обусловлен наличием двух противоположно влияющих на процесс кристаллизации факторов: с одной стороны, с повышением степени переохлаждения (ΔT) разность свободных энергий жидкого и твердого металлов (ΔG) возрастает, что способствует повышению скорости кристаллизации. С другой стороны, для образования и роста кристаллов необходимо диффузионное перемещение атомов в жидком металле, скорость которого уменьшается с понижением температуры металла. В зависимости от степени переохлаждения отношение между (с.р.) и (ч.ц.) изменяется; это приводит к тому, что с увеличением ΔT измельчается зерно металла. В завершение необходимо отметить, что нисходящие ветви кривых (с.р.) и (ч.ц.) характерны для повышения скоростей охлаждения.
Последовательность формирования кристаллической структуры металлов и сплавов определяется условиями кристаллизации. Выделяют 5 стадий формирования структуры:
1 стадия – в период заливки литейной формы (образование мелких зерен на поверхности с дендритным строением) в условиях интенсивного теплоотвода.
2 стадия (конвекция) – после образования поверхностной твердой корочки затрудняется теплоотвод и температура t° в расплаве выравнивается. Поверхностная корка может расплавиться частично или полностью.
3 стадия (рост столбчатых кристаллов) – после прекращения конвективного перемешивания расплава повышается его вязкость. Столбчатые кристаллы растут в направлении теплового потока.
4 стадия (образование равноосных зерен в центре) – формирование крупных равноосных зерен в центре отливки. Центр отливки охлаждается быстрее, чем периферия. Интенсивность теплоотдачи понижается, температура выравнивается.
5 стадия – охлаждение твердого сплава до комнатной температуры. Строение слитка представлено на рис. 38.
Рисунок 38 - Строение слитка. а - схема дендрита по Д.К.Чернову: 1,2,3 – оси первого, второго и третьего порядков соответственно; б – зонная структура слитка
Типичная структура слитка состоит из трех основных зон: 1) зоны мелких равноосных кристаллов, образующихся при быстром переохлаждении металла, соприкасающегося со стенкой формы; 2) зоны столбчатых кристаллов, ориентированных вдоль направления теплоотвода; 3) зоны равноосных кристаллов больших размеров, причем форма зерна в центре слитка обусловлена слабым влиянием теплоотвода. Усадочная раковина 4 формируется в верхней части слитка. В ней металл, затвердевающий в последнюю очередь, является рыхлым, поскольку пронизан газовыми порами и примесями. Эта дефектная область слитка подлежит отрезке.
Читайте также: