2.2. Форма кристаллов и строение слитка Форма зерен

2.2. Форма кристаллов и строение слитка
Форма зерен, образующихся при кристаллизации зависит от условий их
роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и
температуры жидкого металла, а также от примесей.
Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме, в первую
очередь в направлениях, перпендикулярных к плотноупакованным плоскостям
(рис. 2.2.1). Вначале вырастают длинные ветви, называемые осями первого
порядка. Затем на этих осях появляются, и начинают расти ветви второго порядка
и т.д. Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. После
этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты
превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой.
Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами.
Рис. 2.2.1. Дендритные кристаллы
Рассмотрим строение стального слитка, наиболее часто наблюдаемый вид
структуры, когда отливается жидкий металл в вертикальную форму или изложницу
с холодными стенками.
Сначала на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов, т.к. в
первые моменты затвердевания слитка обеспечиваются большие скорости
охлаждения металла (рис. 2.2.2). Затем растут большие кристаллы, вытянутые по
направлению отвода теплоты. Их называют столбчатыми кристаллами. Наконец, в
середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения,
образуются равновесные кристаллы больших размеров.
Рис. 2.2.2. Схема строения стального слитка: а) структура литой стали; б)
макроструктура слитка; 1 – зона мелких различно ориентированных кристаллов; 2
– зона столбчатых кристаллов; 3 – зона крупных равноосных кристаллов
1 зона – мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных легких
кристаллов дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в
тонком слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление
переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров
кристаллизации.
2 зона – зона столбчатых кристаллов. После образования корки условия
теплоотвода меняются (из-за корки), градиент температур в прилегающем слое
жидкого металла резко уменьшается, и следовательно, уменьшается степень
переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров
кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки
столбчатые кристаллы. Прорастание длинными кристаллами толщи слитка
называется транскристаллизацией.
3 зона – зона больших равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет
определенной
направленности
отдачи
тепла.
Температура
успевает
выравниваться в различных точках зоны и в жидкости по всему объему возникают
центры кристаллизации. Охлаждение медленное, поэтому структура – большие
равноосные зерна.
Объем, занимаемый различными зонами в слитке, зависит от состава
разливаемого металла и степени его перегрева, а также от размера и формы
слитка. При больших перегревах и небольших размерах слитка зона столбчатых
кристаллов может заполнить весь объем слитка. В зоне столбчатых кристаллов,
как правило, нет пузырей, раковин, поэтому для получения плотных слитков
выгодно, чтобы эта поверхность была больше. В то же время, увеличивать зону
столбчатых кристаллов в слитке для малопластичных металлов (например,
многих сталей) невыгодно, так как при последующей обработке давлением в
местах стыка кристаллов могут образовываться трещины.
Слиток имеет неоднородный состав. В стали 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. Химическая неоднородность в
пределах одного зерна называется дендритной ликвацией.
Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся,
поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в
объеме, что приводит к образованию в верхней части пустоты – усадочной
раковины. В верхней части слитка металл рыхлый, поскольку пронизан газовыми
порами и примесями. Эта дефектная часть слитка подлежит удалению.
Кристаллы различают 2-х видов. В первом случае внешняя форма не
представляет геометрической правильности, чаще принимает округлые
очертания. Это кристаллы – зерна. В другом случае кристаллические образования
имеют ветвистую форму с незаполненными промежутками, напоминающую
дерево – дендриты.