Наглядные представления о характере механизма огрубления дендритов и интенсивности их... та в сталях и сплавах имеют научный и практический интерес,...

145
УДК 669.17
С. С. Горемыкина, Н. И. Габельченко, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский
НОВЫЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ОГРУБЛЕНИЯ ДЕНДРИТОВ
В СТАЛЯХ И СПЛАВАХ
Волгоградский государственный технический университет
Наглядные представления о характере механизма огрубления дендритов и интенсивности их роста в сталях и сплавах имеют научный и практический интерес, но чрезвычайно осложнены оптической непрозрачностью металлических материалов. В работах [1, 2] было показано, что определенного
прогресса в этом направлении можно достигнуть, например, при анализе изолированных дендритных
кристаллов, вершины которых оказались внутри усадочных полостей отливок и слитков.
В данной работе объектом исследования являлись столбчатые кристаллы Чернова, вырезанные из
слитков так, чтобы можно было сопоставлять дендритные ветви вершины проникающей в полость
усадочной раковины, с ветвями, расположенными в зоне штатной кристаллизации того же столбчатого кристалла (рис. 1).
Предполагается, что трудоемкость и стоимость подготовки таких объектов исследования может
быть компенсирована возможностью многократного использования образцов и важностью полученных с их помощью результатов.
Рис. 1. Дендритная структура и общий вид столбчатого кристалла Чернова,
вырезанного из 8,5-тонного слитка среднеуглеродистой стали:
1 зона –λ1 = 250 мкм; 2 зона – λ2 = 350 мкм × 5
Зона прерванной кристаллизации столбчатого кристалла, выступающего в полость усадочной раковины, при потере контакта с расплавом фиксирует ветви такими, какими они были в процессе роста. Из рис. 1 видно, что непосредственно на вершине кристалла – в зоне 1, огрубления ветвей не происходит, в отличие от зоны 2, где оно реализуется, изменяя и первоначальную толщину ветвей, и расстояние между ветвями второго порядка λ. При этом, как впервые было показано нами [2],
отношение величин дендритных параметров λ2/λ1, характеризующее степень огрубления дендритов в
сплаве, является строго индивидуальной величиной для каждого состава сплава. Ниже этому принципиальному постулату дается обоснование.
Представления о границе дендритного роста [3] были использованы нами для разработки качественного критерия степени огрубления по положению последней коноды дендритной кристаллизации
(рис. 2, а).
146
Склонность к огрублению дендритной структуры можно оценить по перепаду температур между
равновесным ликвидусом дендритов и окружающей их междендритной жидкостью: ∆T= ТДL–TМЖ.
Физический смысл данного критерия исходит из механизма огрубления дендритов, предполагающего, что часть дендритных ветвей расплавляется в междендритной жидкости, и их вещество переносится на другие ветви, вызывая утолщение последних. С увеличением ∆T тормозится первый из
элементарных актов огрубления дендритов – оплавление дендритных ветвей. В сплавах, где ∆T мал,
огрубление реально, а при больших ∆T тугоплавкие дендритные ветви не могут расплавиться в низкотемпературной жидкой фазе, и огрубление дендритов не реализуется.
Вместе с тем, в любой бинарной системе каждый сплав имеет строго определенный перепад ∆T и,
соответственно, склонность к огрублению дендритов у каждого сплава должна быть величиной индивидуальной.
В процессе роста дендритных ветвей понижение уровня свободной энергии системы происходит
только за счет ее объемной составляющей, то есть связанной с непрерывным выделением менее энергоемкой, чем расплав, твердой фазы
∆F1 = –Vд ⋅∆f,
где ∆f – перепад в уровнях свободной энергии жидкой и твердой фаз; Vд – объем твердой фазы (дендритов).
Напротив, поверхностная составляющая свободной энергии из-за непрерывного возрастания протяженности границы раздела у растущего кристалла увеличивается на величину
∆F2=Sд ·σ,
где Sд – площадь поверхности раздела кристалл–расплав; σ – поверхностное натяжение на этой границе раздела.
Подобное изменение обеих составляющих свободной энергии системы будет продолжаться до
полного завершения дендритного роста, то есть до выделения около 65 % твердой фазы. Величина
свободной энергии, достигнутая к этому моменту кристаллизации сплава и равная ∆F = – Vд ·∆f + Sд ·σ,
характеризует неравновесность системы.
Если учесть, что величина перепада свободных энергий ∆f между твердым и жидким состояниями
металла зависит от его состава и степени переохлаждения, равно как и величина поверхностного натяжения расплава σ, то величина свободной энергии системы F также должна быть индивидуальной
величиной для каждого состава сплава. Из рис. 2, б следует, что большей величине F должно соответствовать и более интенсивное ее понижение при огрублении дендритов, уменьшающем поверхность раздела и, соответственно, поверхностную энергию на величину ∆F3= – Sд ·σ.
Таким образом, дополнительно к ранее разработанному критерию качественной оценки степени
огрубления дендритов по величине перепада температур ∆T (рис. 2, а) прибавлены еще два термодинамических критерия, а именно, концентрационно зависимая величина свободной энергии F (рис.
2, б) и концентрационно зависимая величина поверхностного натяжения σ (рис. 2, в). Все три термодинамических критерия однозначно и согласованно свидетельствуют, что максимальную степень огрубления обнаруживают сплавы с минимальным перепадом температур ∆T, максимальным уровнем
свободной энергии F и с максимальной величиной поверхностного натяжения σ.
В чисто практическом плане это, например, означает, что низкоуглеродистые стали должны характеризоваться большей степенью огрубления дендритов, чем высокоуглеродистые, так как они
располагаются ближе к ординате всех трех концентрационных зависимостей и соответствуют меньшей величине ∆T и большим значениям величин F и σ.
Выполненная нами проверка этого вывода осуществлялась на чистых бинарных Fe-C сплавах, полученных сплавлением карбонильного железа с графитом спектральных стержней в печи Таммана.
Фракционными добавками графита последовательно превращали Fe-C сплав вначале в низко-,
средне- и высокоуглеродистую сталь, а затем в чугун.
На рис. 3 показана зависимость дендритного параметра λ от содержания углерода и от перепада ∆T.
147
б
а
в
Рис. 2. Термодинамические критерии, определяющие степень огрубления дендритных структур в сталях и сплавах по
∆T (а), по F (б) и по σ (в) при температуре окончания дендритного роста Тд
Соответственно, в приведенных на рис. 3 бинарных сплавах обратно пропорционально ∆T будут
изменяться величины F и σ.
Т,°С
14 λ, мкм
Т
∆Т
д
L
12
Тмж
Тsд
8
6
4
2
Fe
0
2,0
С, %мас.
4,0
Рис. 3. Характер изменения дендритного параметра в Fe-C сплавах
Результатом выполненного анализа является принципиально новый постулат о строго индивидуальной величине степени огрубления дендритов в каждом конкретном сплаве. Предложенные критерии ∆T, F и σ функционально зависят от концентрации, индивидуальны для каждого сплава бинарной
системы и позволяют качественно судить о степени огрубления дендритных ветвей.
В технических многокомпонентных сплавах подобный анализ осложняется отсутствием необходимых справочных данных, но и в этом случае измеренные интервалы кристаллизации
стали или величины поверхностного натяжения всегда могут являться надежным мерилом степени
огрубления дендритной структуры или, говоря иначе, ее дисперсности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горемыкина, С. С. Исследование нестабильности дендритных кристаллов стали в процессе затвердевания/ С. С. Горемыкина, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский // Металлургия машиностроения. – 2005. – № 5. – С. 28–30.
2. Ильинский, В. А. Анализ особенностей роста и огрубления дендритных ветвей в кристаллах / В. А. Чернова,
Л. В. Ильинский, С. С. Костылева и др. // Металлы. – 2005. – № 6. – С. 66–70.
3. Костылева, Л. В. Особенности дендритной кристаллизации и повышение информативности диаграмм состояния/
Л. В. Костылева, Н. И. Габельченко, В. А. Ильинский // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2000. –
№ 10. – С. 10–14.