Введение в физику кристаллизации металлов

Вайнгард У.

Мир, 1967 г.

Когда говорят о кристаллизации, обычно подразумевают процесс типа превращения воды в лед. Общие закономерности этого процесса хорошо известны, но истинные перемещения атомов, происходящие при этом, еще неполностью выяснены. Металлы также могут переходить из жидкого состояния в твердое, но, как и в случае превращения воды в лед, механизм этого процесса не вполне ясен. Это одновременно удивительно и печально, так как металл на определенных стадиях изготовления из него большинства деталей или изделий претерпевает переход из жидкого состояния в твердое.

Когда деталь отлита в форму, структура, образующаяся сразу после затвердевания, определяет многие свойства изделия. Это справедливо даже для слитков, несмотря на распространенное, но неправильное мнение, что дефекты могут быть ликвидированы при ковке. На практике многие дефекты, проходя через все стадии изготовления, доходят до готового изделия, будь то подвеска автомобиля или ножки металлического стула. Наличие значительных дефектов не позволяет получить желаемые механические свойства, а колебания в химическом составеприводят к тому, что коррозионные и усталостныесвойства в разных местах изделия становятся различными.

Для инженера и ученого важно получить в твердом состоянии металл, однородный по химическому составу, не содержащий значительных дефектов и обладающий определенными, одинаковыми по всему объему, механическими и физическими свойствами. Многие трудности, встречающиеся при получении такого металла, будут рассмотрены в этой книге. Одна из таких трудностей

заключается в том, что Металлы состоят из неизотропных кристаллов, которые при затвердевании могут сгруппироваться таким образом, что образуется макроскопически анизотропное и поэтому неоднородное твердое тело.

После затвердевания макроструктура твердого тела простой формы может быть различной; схематическое представление о некоторых типах структуры дано на фиг. 1. На этих эскизах изображена макроструктура,

обычно наблюдаемая после разрезания, затвердевшего слитка и выявления соответствующим травителем. Структура, приведенная на фиг. 1, а, называется столбчатой; слиток состоит из зерен столбчатой формы, которые в данном случае начали расти от стенки формы и протянулись вглубь до центра слитка. На фиг. 1,6 представлен случай, когда большое число зерен возникло у стенки формы, но лишь небольшая их часть выросла по направлению к центру, образовав столбчатую структуру, приводящую к анизотропии свойств. Структура, изображенная на фиг. 1,в, наиболее часто встречается при литьесплавов в изложницу; слиток состоит из наружного слоя мелких равноосных кристаллов, зоны столбчатых кристаллов и центральной зоны равноосных кристаллов. Иногда сплавы затвердевают с образованием структуры, показанной на фиг. ,г, где изображен слиток с однородными равноосными кристаллами. Обычно это наиболее желательная структура, так как равноосные зерна имеют случайную ориентировку и одинаковые размеры во всех направлениях, что способствует образованию макроскопически изотропного и относительно однородного по химическому составу материала.

Слитки, затвердевающие с образованием структуры, показанной на фиг. ,а или б, редко бывают однородными, так как обычно центр слитка обогащен различными растворимыми и нерастворимыми примесями. Сегрегация такого типа иногда может привести к тому, что данный материал должен быть признан негодным, если при его последующей обработке выявятся дефекты, обязанные наличию сегрегации. Например, при прокатке нержавеющей стали на лист центральная зона слитка в конце концов при достижении определенной толщины окажется на поверхности листа. Если после прокатки и отжига выяснится, что лист негоден, так как он имеет много поверхностных дефектов, то фирма-изготовитель потеряет значительное количество времени и денег. Потерь можно было бы избежать, получив слиток с первичной мелкозернистой, равноосной структурой.

В данном случае наличие сегрегации привело лишь к материальным потерям. Можно указать на другие примеры, где сегрегация явилась причиной эксплуатационных аварий, приводивших к большим убыткам и даже человеческим жертвам. В общем сегрегация должна быть ликвидирована или по крайней мере сведена к минимуму, так как качество изделия определяется качеством его самого слабого звена. Если какая-либо часть детали содержит слишком мало или слишком много растворенных атомов примеси, свойства целой детали определяются свойствами этой зоны сегрегации.

Очень часто особенности образующейся при кристаллизации литой структуры рассматриваются лишь в зависимости от скорости кристаллизации, так как этот параметр является наиболее удобным для измерения. Однако из рассмотрения теории концентрационного переохлаждения следует, что температурный градиент в жидкости также играет весьма важную роль в формировании окончательной структуры отливки. Более того, скорость роста в свою очередь определяется температурным градиентом в жидкости. При большом температурном градиенте значительное количество тепла должно быть отведено через фронт кристаллизации и, следовательно, скоростькристаллизации будет небольшой. Для иллюстрации того, как с помощью температурного градиента Gl на практике можно влиять на структуру отливок, целесообразно рассмотреть несколько примеров.

Предположим, что для некоторых целей желательно получить слиток с полностью столбчатой структурой. Это может быть достигнуто, если переохлаждение в жидкости не будет столь большим, чтобы вызвать зарождение кристаллов перед фронтом кристаллизации. Для этой цели необходимо использовать такую технологию получения слитка, при которой градиент GL достаточно велик, что приводит к увеличению отношения GJR или GJR1. Такая технология может заключаться в эффективном использовании прибыльной части слитка, необходимой для того, чтобы верхняя часть слитка в течение некоторого времени поддерживалась в расплавленном состоянии и при высокой температуре; кроме того, можно использовать высокую температуру разливки или водоохлаждаемую изложницу для поддержания высокого GL во время кристаллизации. Существует много других приемов увеличения GL, аналогичных рассмотренным выше. Из анализа структур, приведенных на фото 10 для иллюстрации рассмотренных выше положений, следует, что высокая температура разливки препятствует развитию процессов зарождения перед фронтом кристаллизации [16].