Строение металлического слитка материаловедение

Обновлено: 23.01.2025

В течение многих лет заготовки для последующей механической обработки изготавливаются путём верхней разливки. Однако строение слитка с выделением его характерных зон за это время не изменилось. После застывания в изложнице сталь получает неравномерный химический состав в разных точках, как по высоте, так и по сечению слитка.

Первая зона – наружная мелкозернистая корка

В процессе остывания стали последней отверждается та часть слитка, которая размещается по его оси над усадочной раковиной. В этой зоне сильнее всего выражена зональная ликвация – местное обогащение отдельных участков примесями, которые образуются вследствие непрерывно протекающего процесса избирательной кристаллизации.

В наружной части слитка содержание ликвирующих элементов минимально, поэтому поверхностная корка состоит преимущественно из застывших шлаков, имеющих более низкую температуру плавления, чем металл. В корке фиксируются также фосфор, углерод, сера и прочие металлургические примеси, обычно в виде сульфидов и оксидов.

При последующей обработке корку удаляют, используя ряд последовательных нажатий молота или ковочного гидропресса. Из-за разности в химсоставе и, следовательно, в условиях сцепления с основным металлом слитка такая корка быстро отваливается от поверхности.

Вторая зона – столбчатые кристаллы

В этой зоне представлены равноосные кристаллиты, которые ориентированы в разных направлениях. Значительную часть зоны занимает также усадочная раковина, а также поры и пустоты, являющиеся её продолжением. Непосредственно под усадочной раковиной располагается ликвационная зона, обогащённая углеродом, фосфором и серой.

Зона мелких неориентированных кристаллитов при нагреве под ковку или механическую обработку удаляется поверхностной зачисткой. Хрупкость этой зоны повышена, но сила сцепления меньше вследствие малой глубины слоя. Структура слитка, полученного полунепрерывным или непрерывным литьём, практически исключает наличие этой зоны.

Третья зона – равноосные кристаллы

По мере увеличения расстояния от поверхности слитка внутренний градиент температур уменьшается, что создаёт более благоприятные условия для охлаждения металла. Следствием этого процесса является транскристаллизация, в ходе которой оси кристаллов вытягиваются в одном направлении. Именно из этой зоны в дальнейшем формируется наружная часть поковок, а затем – и готовых деталей. В зоне равноосно расположенных кристаллов содержится наименьшее количество примесей. Лишь в некоторых специальных марках стали (содержащих значительный процент никеля), а также у сталей аустенитного класса зона равноосных кристаллов оказывается очень большой. Это создаёт дополнительные трудности при горячей обработке давлением.

Размеры зоны зависят от:

Размеров слитка;
Веса слитка;
Температуры разливки;
Химического состава стали;
Толщины стенок изложницы.

Протяжённость зоны равноосно расположенных кристаллов растёт с увеличением процентного содержания хрома, никеля и вольфрама. У некоторых видов сталей, например, у аустенитных нержавеющих, равноосные кристаллы занимают практически всё поперечное сечение слитка. Более того: столбчатые кристаллы, растущие от противоположных граней, даже встречаются своими вершинами в центре слитка.

Транскристаллическая структура слитка

Кристаллизация и строение слитка определяются формой изложницы. В круглых слитках дендриты направлены нормально к поверхности, создавая места с возможными пустотами или прострелами у стыков зёрен, расположенных в центральной части слитка. В слитках квадратного сечения дендриты растут нормально к сторонам квадрата и встречаются своими вершинами примерно по направлению диагонали. Вследствие этого те места слитка, которые расположены по диагонали, насыщаются ликвирующими примесями, что ослабляет их прочность и приводит к росту структурной неравномерности.

Всё вышеуказанное следует принимать во внимание при ковке слитков, особенно когда зона транскристаллизации сильно развита.

Если в процессе ковки направление деформирубщего усилия совпадает с направлением роста дендрита, то усилие будет направлено вдоль вытянутых плоскостей спайности дендритов. Это вызывает трещинообразование, поскольку такие плоскости ослаблены наличием большого количества вредных примесей.

Строение слитков сплавов

Скопление сегрегаций (ликваций нерастворимых примесей), в которых столбчатые кристаллы заменяются более равновесными структурами.
Наличие трещин между столбчатыми кристаллами, где образуется металл с более высокими концентрациями растворённых веществ (часто встречается в металлургии алюминия).
Повышенное влияние скорости разливки, когда возникающее разбрызгивание приводит к образованию серьёзных дефектов структуры (наблюдается при разливке высоколегированных нержавеющих сплавов на основе никеля и хрома).
При вакуумной разливке некоторых сплавов на основе меди обнаруживаются дендритные субструктуры. Механизм размножения (фрагментации) зёрен вызван турбулентностью расплава во время разливки.

Наличие преддендритных субструктур показывает, что значительное количество специальных сплавов (особенно на основе алюминия) обладают повышенной чувствительностью к теплопередаче, даже, если механизм размножения зёрен за счёт фрагментации активен. Преддендритные зёрна характеризуются повышенной шероховатостью, увеличенным количеством столбчатых зёрен и их размерами.

Строение металлического слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе первичной кристаллизации, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, направления теплоотвода, а также от содержания примесей.

Первичный древовидный кристалл называется дендритом.

Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка (рисунок 11).

На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита.

1, 2 и 3 -оси соответственно первого, второго и третьего порядка

Рисунок 11 — Схема строения дендрита:

При заливке жидкого металла в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Схема строения металлического слитка приведена на рисунке 12.

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 большой градиент температур и явление переохлаждения, 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 равноостных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура.

1 — мелкозернистая корка;

2 — столбчатые кристаллы (дендриты);

3 — крупные равноосные кристаллы;

4 — усадочная раковина

Рисунок 12 — Схема строения металлического слитка

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 4. Верхняя часть слитка с усадочной раковиной отрезается. В слитках небольших размеров зона 3 может отсутствовать. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов называется транскристаллизацией.

Слитки сплавов имеют неоднородный состав.

Неоднородность по химическому составу 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 образуют оси 1 порядка, менее тугоплавкие — 2 и 3 порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси — заполняют межосное пространство).

Строение стального слитка

В зависимости от степени раскисления (кипящая, спокойная) структура стального слитка может иметь различное строение (рисунок 1.5).

В общем случае в структуре стального слитка можно выделить три зоны.

Рисунок 1.5 – Схема строения стальных слитков спокойной (а) и кипящей (б) стали:

1 – зона мелкозернистых кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов;
3 – зона крупнозернистых кристаллов; 4 – усадочная раковина;
5 – газовые пузыри

Первая зона слитка состоит из мелких равноосных зерен. Металл в начальный момент затвердевания, соприкасаясь с холодными стенками формы, охлаждается в тонком слое с большой скоростью. После образования внешней мелкозернистой зоны условия затвердевания металла меняются: скорость охлаждения уменьшается, отвод тепла становится направленным (перпендикулярно к стенкам формы), зерна приобретают столбчатый вид. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов.

Внутренняя часть слитка – зона крупных равноосных зерен. Третья зона формируется в условиях равномерного охлаждения жидкого металла. Здесь зерна зарождаются и растут без определенного направления.

В процессе затвердевания объем жидкого металла уменьшается, поэтому в слитке образуется усадочная раковина. Усадочная раковина располагается в верхней части слитка, где затвердевают последние порции металла, а под ней на некоторую глубину протягивается усадочная рыхлота.

Структура, показанная на рисунке 1.5 а, образуется при кристаллизации спокойной стали, которую получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь затвердевает без выделения газов, поэтому слиток имеет плотное строение, а усадочная раковина концентрируется в верхней части. В целях уменьшения усадочной раковины в слитках изложницы изготовляют с утепленной надставкой.

Выделение газов в слитке кипящей стали (рисунок 1.5 б) происходит при затвердевании слитка, поэтому в слитке образуется не концентрированная усадочная раковина, а большое количество рассредоточенных газовых пузырей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений и обладает высокой пластичностью. Листовой прокат, получаемый из низкоуглеродистой кипящей стали, широко применяется при изготовлении деталей холодной обработкой давлением.

Стальные слитки неоднородны по химическому составу. Химическая неоднородность, возникающая в процессе кристаллизации, называется ликвацией. Ликвация бывает двух видов – дендритная и зональная.

Дендритной ликвацией называется неоднородность по химическому составу в пределах одного кристалла (дендрита) – по направлениям его центральной оси, ветвей и в приграничных зонах. Например, при кристаллизации стали содержание серы на границах зерен по сравнению с содержанием ее в их центре увеличивается в 2 раза, фосфора – в 1,2 раза, а углерода уменьшается почти наполовину.

Зональная ликвация – неоднородность состава стали в различных частях слитка. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, в нижней части – уменьшается. Зональная ликвация приводит к браку металла вследствие отклонения его свойств от заданных. Верхнюю прибыльную часть слитка при прокатке отрезают.

10. Строение слитка и аморфные сплавы

Строение стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, которая состоит из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов.

Вторая зона слитков – зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода

меняются, градиент температур уменьшается и уменьшается степень переохлаждения стали. Третья зона слитка – зона равноосных кристаллов.

Кристаллы, которые образуются в процессе затвердевания металла, имеют различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кристаллы, которые получили название дендриты из-за своей формы, которые напоминают форму дерева. Такая форма кристаллов объясняется тем, что возникшие в жидком металле зародыши растут в направлении с минимальным расстоянием между атомами. Так образуются оси первого порядка. Одновременно с удлинениями осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярно к ним под определенными углами оси второго порядка, от которых уже растут оси третьего порядка и в конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов. Дендритное строение выявляется после специального травления шлифов, т. к. все промежутки между ветвями дендритов заполнены, и видны обычно только места стыков дендритов в виде границ зерен. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях процесса. Дендритное строение характерно для макро– и микроструктуры литого металла (сплава).

При соприкосновении с холодной стенкой изложницы образуется зона мелких равноосных кристаллов. Объем твердого металла меньше жидкого, поэтому между стенкой изложницы и застывшим металлом возникает воздушная прослойка; сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. В результате скорость охлаждения металла уменьшается, рост кристаллов приобретает направленный характер – они растут от стенки изложницы к центру по направлению отвода тепла и образуется зона столбчатых кристаллов. Это явление как бы прорастания длинными кристаллами толщи слитка носит название транскристаллизации. Образующаяся зона замедляет отдачу тепла наружу, скорость охлаждения уменьшается и образуется зона крупных неориентированных кристаллов. В жидком металле содержится какое-то количество растворенных газов, поэтому в объеме слитка при его охлаждении для металлов, которые обладают склонностью к переохлаждению, обнаруживаются только восходящие ветви кривых числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов.

Размер зерен, образующихся в процессе кристаллизации, зависит не только от числа самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но и от числа частичек нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле, которые играют роль готовых центров кристаллизации. Такими частичками могут быть оксиды, нитриды, сульфиды. Центрами кристаллизации в металле или сплаве могут быть твердые частицы, которые имеют небольшую разницу в размерах атомов с атомами основного металла, их кристаллическая решетка должна быть близка по строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Стенки изложниц и других форм, где происходит кристаллизация жидкого металла имеют неровности, шероховатости. Эти неровности влияют на процесс кристаллизации, увеличивая скорость кристаллизации. Если сталь недостаточно раскислена (так называемая кипящая сталь), то газовые пузыри будут образовываться по всему объему слитка.

Если сталь хорошо раскислена (спокойная сталь), то ее отливают в изложницы с утепленной прибыльной надставкой. В этом месте будут кристаллизоваться последние порции жидкого металла. Здесь будут собираться газы. При этом возникает большая пустота, называемая усадочной раковиной. Около усадочной раковины металл будет менее плотным, рыхлым. Поэтому после прокатки слитков спокойной стали верхнюю (прибыльную) часть слитка (около 15–20 % от длины слитка) отрезают. При прокатке форма первичных кристаллов литого металла изменяется. Дендриты деформируются, вытягиваются вдоль направления течения металла, превращаются в волокна. Места стыков кристаллов имеют меньшую прочность, поэтому вдоль волокон деформированная сталь обладает большей прочностью и вязкостью, чем поперек.

Аморфные сплавы достаточно часто бывают хрупкими при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии, могут подвергаться холодной прокатке. Магнитомягкие аморфные сплавы бывают трех групп.

1. На основе железа (Fe₈₁Si_{3 5}B_{13 5}C₂) с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой.

2. На основе кобальта (CО₆₆Fe₄(Mo, Si, B)₃₀, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения, но высокие механические свойства, низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости.

3. Железоникелевые сплавы (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆) со средними значениями магнитной индукции и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов.

Магнитомягкие аморфные сплавы используются в электротехнике и электронной промышленности.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Строение древесины

Строение древесины Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая

ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины

ЛЕКЦИЯ № 1. Строение древесины 1. Виды древесных пород и части дерева Растущие деревья имеют следующие составные части: корни, ствол, ветви, листья. Корневая система деревьев выполняет функции поставщика влаги и питательных веществ из почвы по стволу и ветвям к листьям.

2. Макроскопическое строение древесины

2. Макроскопическое строение древесины При поперечном разрезе ствола дерева можно установить главные макроскопические признаки: заболонь, ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, сосуды, смоляные ходы и сердцевинные повторения.У молодых деревьев всех пород древесина

1. Строение металлов

1. Строение металлов Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства

2. Полимеры: строение, полимеризация и поликонденсация, свойства В настоящее время трудно представить себе медицину без полимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы.Сплавы меди с цинком,

§ 3.6 Строение ядер

§ 3.6 Строение ядер Чем больше в ядре должно поместиться нуклонов, тем больше должна быть площадь поверхности ядра, где происходят присоединения то протонов, то нейтронов… Этим особенностям лучше всего отвечает форма ядра в виде двух пирамид Хеопса, соединённых

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь

§ 4.14 Строение вещества и химическая связь Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным, То состоять из начал крючковатых должно несомненно, Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых. В этом разряде вещей, занимая в нём первое место, Будут алмазы

Глава 32 Строение Пространства – Времени

Глава 32 Строение Пространства – Времени «Действие есть кривизна Мира» Павел Дмитриевич Успенский, 1911 год Мы уже предполагали аналогии квантового строения микромира и макромира, при определенных условиях. Далее, будет показаны законы резонансного строения нашего

10.4.2. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ (АММ)

10.4.2. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ (АММ) Это новая группа магнитомягких материалов с перспективным сочетанием высоких магнитных, электрических и механических свойств. Упорядоченное расположение атомов в этих материалах существует только в ближнем порядке. Такое

8. Плавление металлов и строение расплавов

8. Плавление металлов и строение расплавов Плавление – это физический процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое расплавленное. Плавление – процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре выше равновесной, т. е. при перегреве. Поскольку

1. Строение металлов

Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот. Для того чтобы сознательно изменять свойства металлов, необходимо знать основы их кристаллического строения. Как известно, все тела состоят из большого количества атомов, которые удерживаются силами сцепления, совершая колебания большой частоты возле точек равновесия. Поскольку атомы разных металлов различны, каждый металл имеет свои определенные свойства. Эти свойства зависят от расположения атомов между собой, характера их связей, от расстояния между ними. Если изменить расстояние между атомами или порядок их расположения, изменятся и свойства металла. В аморфных телах – смоле, стекле, канифоли и т. п. – атомы расположены беспорядочно. В металлах они находятся в определенном геометрическом порядке, образуя кристаллы, поэтому металлы являются кристаллическими телами. Металлы различаются не только порядком расположения атомов, но и кристаллической решеткой, которая представляет собой воображаемую пространственную сетку, состоящую из элементарных ячеек, в узлах которой находятся атомы.

Различают следующие кристаллические решетки металлов с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно—центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную. В ячейке кубической объемно—центрированной решетки атомы расположены в вершинах и центре куба. Такая ячейка содержит девять атомов (хром, вольфрам, ванадий, молибден, литий, а при определенных температурах – железо и другие металлы).

В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы находятся в вершинах куба и на пересечении диагоналей каждой плоскости. Такая ячейка имеет 14 атомов (свинец, никель, медь, золото, серебро, пластина, железо при определенных температурах и другие металлы).

В ячейке гексагональной кристаллической решетки атомы располагаются в вершинах и в центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней ее плоскости, при этом такая ячейка содержит 17 атомов (магний, цинк, кадмий, осмий, бериллий и другие металлы).

При определенных условиях некоторые металлы – железо, титан, цирконий, стронций, кобальт, кальций и другие могут перестраиваться из одного вида кристаллической решетки в другой, например из кубической объемно—центрированной – в гранецентрированную и даже гексагональную. Элементарная ячейка отображает только один элемент, или одну ячейку, кристаллической решетки.

Вся кристаллическая решетка в реальном металле состоит из большого числа многократно повторяющихся элементарных ячеек. Большое значение имеет расстояние между атомами ячейки кристаллической решетки или между параллельными атомными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Чем больше это расстояние, тем менее прочен металл. Расстояние между ними измеряется в ангстремах – 1 А = = 10 –8 см или в нанометрах – 1 А = 0,1 нм.

Из практики известно, что железо прочнее меди, а медь прочнее алюминия.

§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева

§ 3.3 Строение атомов и периодический закон Менделеева Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов, находятся в периодической зависимости (или, выражаясь алгебраически, образуют периодическую функцию) от их атомных весов. Д.И. Менделеев Считается,

§ 3.9 Кристаллическое строение элементарных частиц и их распады

§ 3.9 Кристаллическое строение элементарных частиц и их распады А если и в самом деле, протоны и нейтроны как кирпичики ядерных конструкций сложены из электронов и позитронов?… то могли же нуклоны возникнуть в виде кубических квазикристаллических образований,

2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен

2. Зеренное строение металлов. Границы зерен и субзерен Металлы – это поликристаллические тела, они состоят из мелких кристаллов. Характеризуются металлическими свойствами и составляют 50 % всех химических элементов. Строение металлов и их сплавов кристаллическое.В

10. Строение слитка и аморфные сплавы

10. Строение слитка и аморфные сплавы Строение стального слитка впервые дано в 1878 г. Д.К. Черновым. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона – наружная мелкозернистая корка, которая состоит из дезориентированных мелких кристаллов –

Читайте также: