Процессы затвердевания

Флемингс М

Мир, 1977 г.

ГЛАВА 5

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ отливок и слитков

ЗЕРНИСТАЯ СТРУКТУРА

Классическая картина кристаллического строения отливки или слитка схематически показана на фиг. 5.1; в сечении можно различить периферийную быстроохлажденную зону, состоящую из мелких зерен, промежуточную зону столбчатых кристаллов и центральную зону равноосных кристаллов. Все эти три зоны иногда видны в отливках и слитках реальных металлов, особенно углеродистых и низколегированных сталей. Однако значительно чаще та или иная зона отсутствует. Структура нержавеющих сталей часто оказывается столбчатой без центральной равноосной зоны и с незначительной или вовсе отсутствующей периферийной мелкозернистой зоной, тогда как в алюминиевых сплавах с хорошо измельченным зерном структура полностью равноосна. В настоящее время известно, что наличие и протяженность этих зон в слитках зависит как от процесса зародышеобразования, так и от «размножения» зерен путем механического дробления. Указанные вопросы обсуждаются в этой же главе ниже [1, 2].

Структура, приведенная на фиг. 5.1, образовалась в результате затвердевания (первичной кристаллизации). В сплавах, особенно в сравнительно чистых, первоначально образовавшиеся границы зерен могут перемещаться и после затвердевания. Фазовые превращения в твердом состоянии (перекристаллизация) также изменяют окончательную структуру слитков. В этом отношении интересными являются малоуглеродистые стали. Дендриты, которые образуются в самом начале, состоят из 6-феррита, который впоследствии превращается в аустенит, а затем — в феррит и перлит. Каждая из этих структур может быть выявлена в полностью затвердевшем слитке путем соответствующего металлографического анализа.

СТОЛБЧАТЫЕ СТРУКТУРЫ

В гл. 3 было показано, что при переходе от ячеистой к дендритной структуре на торце ствола ячейки образуются возмущения (выступы), которые развиваются в короткие обрубленные дендритные ветви. Такую структуру можно наблюдать в промышленных сплавах, очень разбавленных или затвердевающих в узком диапазоне, как, например, в сплавах железа с 10% Ni(фиг. 3.19). Однако для большинства промышленных сплавов характерно значительно более разветвленное строение, подобное структуре прозрачного органического вещества на фиг. 5.2 (из работы Джексона  [2]). На фиг. 5.3 изображена часть дендрита одного такого материала — низколегированной стали. Схема выполнена на основе пространственного исследования изоконцентрационных поверхностей дендрита стали после полного затвердевания. Контурные линии приблизительно изображают последовательные положения границы между жидкой и твердой фазами. Важным аспектом схемы, приведенной на фиг. 5.3, является то, что участки между ветвями дендритов имеют тенденцию к затвердеванию во время последующих этапов кристаллизации с образованием плитообразных структур. Эти «плиты» создают довольно интересный эффект на полированных поверхностях, как это показано ниже на нескольких рисунках.

.Низколегированная сталь наиболее благоприятна для изучения дендритов, поскольку ее можно подвергать термообработке, в результате чего обедненные легирующими элементами центральные участки дендритов превращаются в перлит, тогда как внешние.

участки закаливаются с образованием мартенсита. В таком случае граница между перлитом и мартенситом представляет изоконцентрационную поверхность; путем изменения термической обработки можно получить изоконцентрационные поверхности, соответствующие большему или меньшему содержанию легирующих элементов [3]. На фиг. 5.4 показана одна из таких структур. При меньших увеличениях структура этой типичной низколегированной стали выглядит так, как показано на фиг. 5.5. Ветви дендритов располагаются под прямыми углами (в направлении <100>), причем плохо видимые линии, между которыми на первый взгляд не удается определить кристаллографические соотношения, являются просто-напросто следами плоскостей {100}, пересекающих поверхность образца под небольшими углами. Вероятно, на каждой из фотоснимков фиг. 5.5 присутствуют границы зерен, однако все ветви на фиг. 5.4 представляют часть одного и того же «литого зерна» или дендрита (по терминологии гл. 3). При меньших увеличениях (фиг. 5.6) можно выявить первичные литые зерна. Эта отливка имеет от 10 до 20 столбчатых зерен но всей ширине верхней части.

Плиты, наблюдаемые в столбчатых структурах, часто простираются па несколько первичных дендритов. На фиг. 5.4,а заметно, что дендритные ветви располагаются под углом 20° к горизонтали. Изоконцентрата, соответствующая более высокому содержанию легирующего элемента, выявила «плиты», простирающиеся в этом направлении по всей микрофотографии. Обычно такие плиты, образующиеся в сплавах с кубической решеткой, имеющих дендритную или ячеистую структуру, располагаются в плоскости (100), образующей наименьший угол с направлением теплового потока 14—6]. Степень развития плитообразной структуры в дендритах при столбчатом затвердевании зависит от состава сплава. В сплавах, затвердевающих только с незначительной долей эвтектики в структуре, обычно выявляются четко выраженные плиты; одним из примеров таких сплавов может быть сплав Al— 4,5%Сu (фиг. 5.7). С другой стороны, в сплавах, в которых относительна большое количество твердой фазы кристаллизуется в виде эвтектики, плиты обычно выражены менее четко.

Дендритные структуры в металлах с некубической решеткой оказываются геометрически более сложными по сравнению с ранее обсуждавшимися структурами из-за неортогональности дендритных ветвей; в остальном  они во многом схожи с указанными структурами. На фиг. 5.8 и 5.9 показаны дендриты одного из таких материалов — олова с объемноцентрироваиной тетрагональной решеткой в сплаве Sn— Bi. Направлением роста столбчатой структуры (направлением роста первичных ветвей) в этом сплаве является [110].