Строение металлического слитка

Наблюдение за процессом кристаллизации металлов и сплавов затруднено в связи с их непрозрачностью и высокими температурами кристаллизации. Поэтому изучение этих процессов осуществляется различными косвенными методами.

Изучение процесса кристаллизации можно осуществить с помощью бинокулярной лупы или биологического микроскопа. Водные растворы солей составляются насыщенными с тем расчетом, чтобы незначительное испарение воды привело растворы к состоянию перенасыщения. При кристаллизации жидкого раствора любой соли так же, как и стального слитка, можно наблюдать три различные зоны кристаллов, отличающиеся своей формой и величиной (рисунок 14). Образование трех зон можно объяснить различными условиями кристаллизации.

Обычно кристаллизация капли (слитка) начинается у краев, так как здесь быстрее всею испаряется растворитель, и раствор быстро перенасыщается. У краев капли возникает зона весьма мелких кристаллов (зона 1), что указывает на зарождение большого числа центров кристаллизации. Значительное перенасыщение водного раствора соли можно уподобить значительному переохлаждению кристаллизующегося металла.

Рисунок 14 – Схема строения слитка

К мелкозернистой зоне примыкает зона более крупных столбчатых кристаллов (зона 2). Направление роста этих кристаллов обычно перпендикулярно краю капли. Большой размер образующихся кристаллов указывает на уменьшение числа центров кристаллизации и увеличение скорости роста кристаллов. Направленный рост, обусловливающий столбчатую форму, вызван тем, что в связи с небольшим перенасыщением раствора в более толстом слое капли не образуется центров кристаллизации, не связанных с ранее затвердевшей зоной у краев капли, а возникшие на границе мелкозернистой зоны центры растут в сторону постепенно пересыщающихся краев, т.е. к центру капли. Постепенное пересыщение слоев утолщающейся по направлению к центру капли создает условия кристаллизации, подобные направленному отводу тепла в формы или изложницы для металла.

В центре капли возникает третья зона (зона 3), состоящая из очень крупных, различно ориентированных равновесных кристаллов. Большой размер кристаллов указывает на малое число образующихся центров кристаллизации в связи с медленным пересыщением этой части капли. Малая степень пересыщения так же, как и малая степень переохлаждения в центральной зоне слитка или отливки металла, создают условие для зарождения наибольшего числа различно ориентированных равновесных кристаллов.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15...20 % от длины слитка).

Выводы по лекции

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе его из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Превращения, связанные с кристаллизацией, в значительной степени определяют свойства металлов. Впервые процессы кристаллизации были изучены в 1878 г. Д. К. Черновым. Сущность кристаллизации состоит в следующем: в жидком металле атомы непрерывно движутся, по мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и группируются в кристаллы, которые называют центрами кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно появляются но­вые центры. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое критическая температура для металла?

2. Что такое центры кристаллизации?

3. Опишите механизм кристаллизации

4. Что называется скоростью роста кристаллов?

5. От чего зависит структура кристаллизовавшегося металла?

6. Опишите процесс образования и схему строения слитка