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.