книги / Определение структуры литого металла

3

ОБЩИЕМЕТОДИЧЕСКИЕРЕКОМЕНДАЦИИ

При подготовке к выполнению практической работы следует изучить теоретические сведения. Анализ микроструктуры производится по слиткам или их изображениям, выдаваемым преподавателем.

Отчет выполняется в тетрадях для практических и лабораторных работ. Для защиты работы необходимо подготовиться по контрольным вопросам.

Цели работы:

–изучить процессы, происходящие при кристаллизации материала;

–изучить строение слитка металла;

–изучить влияние внешних факторов на его структуру;

–научиться описывать структуру слитка;

–научиться описывать способы получения такой структуры.

КРАТКИЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕСВЕДЕНИЯ

Физические основы кристаллизации

Любое вещество (система) в зависимости от температуры может быть в твердом, жидком или газообразном состоянии. Системой в физической химии называют совокупность индивидуальных веществ (химические элементы, независимые химические соединения), между которыми или частями которых обеспечена возможность обмена энергией, а также процессов диффузии.

Все самопроизвольно протекающие в природе превращения, в том числе кристаллизация и плавление, обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных тепловым движением частиц (атомов и молекул), характеризуется особой термодинамической функцией F, называемой свободной энергией, которая определяется по формуле

4

где U – внутренняя энергия системы; Т – абсолютная температура;

S – энтропия.

Чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива. Если имеется возможность, то система переходит в состояние, в котором свободная энергия меньше. С изменением температуры (внешних условий) свободная энергия системы изменяется по сложному закону, но различно для жидкого и твердого состояний (рис. 1). Выше температуры Тs меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже Ts – вещество в твердом состоянии.

Свободная энергия жидкой Fж и твердой Fт фаз одинакова при температуре термодинамического равновесия Ts, т.е. в системе одновременно могут существовать и та и другая фазы. Изменив температуру, мы создаем разницу свободных энергий фаз F, что и является стимулом для прохождения процесса. Степень переохлаждения Т – разница между равновесной Ts и реальной Tk температурами превращения.

Рис. 1. Изменение свободной энергии жидкой и твердой фаз металла в зависимости от температуры

5

Процесс кристаллизации

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов при изменении агрегатного состояния металлов (сплавов) из жидкого в твердое. Это первичная кристаллизация, в течение которой формируется кристаллическая решетка. В процессе охлаждения уже затвердевших сплавов возможна вторичная кристаллизация. Это перекристаллизация из одной модификации в другую, распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Русский ученый Д.К. Чернов (1839–1921) впервые доказал, что сталь является кристаллическим телом, и основал теорию, по которой процесс кристаллизации складывается из двух элементарных процессов:

1)зарождения центров кристаллизации;

2)роста кристаллов из их зародышей.

Схематично процесс кристаллизации показан на рис. 2.

Рис. 2. Схема процесса кристаллизации из жидкого расплава

На рис. 2 изображены последовательные этапы зарождения первичных центров кристаллизации. Эти процессы идут в условиях переохлаждения жидкого сплава и дальнейшего роста зародышей кристаллов за счет процессов диффузии атомов жидкой фазы, наслаивающихся на уже имеющуюся твердую фазу.

Рост граней кристаллов идет послойно до момента их соприкосновения, в результате чего нарушается правильная форма кристаллов. По окончании процесса кристаллизации образуется

6

структура сплава. Структура представляет собой зерна кристаллов с неправильной геометрической формой. Они называются

кристаллитами.

От степени переохлаждения зависит число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. При небольшой степени переохлаждения Т число зародышей мало, а скорость роста велика. В этом случае будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения Т возрастает число центров кристаллизации, а скорость их роста уменьшается, и размер зерна в затвердевшем металле становится меньше.

Образование зародышей может быть гомогенным и гетерогенным.

Гомогенное образование зародышей происходит только в высокочистом жидком металле при больших степенях переохлаждения.

Гетерогенное образование зародышей происходит в реальных условиях. В расплаве всегда присутствуют примеси, например неметаллические включения, оксиды, которые и являются центрами кристаллизации. В случае если частицы примеси имеют кристаллическую решетку, одинаковую с решеткой затвердевающего металла, и параметры сопрягающихся решеток примеси и кристаллизующегося вещества примерно одинаковы (отличие не превышает 9–15 %), то они играют роль готовых центров кристаллизации. Структурное сходство между поверхностями зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша. В этом случае его образование и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.

Зерно получается тем меньше, чем больше примесей, т.е. больше центров кристаллизации. Изменяя число центров кристаллизации, можно влиять на структуру материала и, соответственно, на его свойства.

7

Параметры кристаллизации и их регулирование

К параметрам, характеризующим процесс кристаллизации, относятся:

1)число центров кристаллизации (ч.ц.) – количество способных к росту зародышей, возникающих в единице объема в единицу времени;

2)скорость роста кристаллов (с.р.) – скорость увеличения линейных размеров растущей грани кристалла.

Влияние параметров кристаллизации на размер зерен, образующихся при затвердевании, может быть выражено следующей формулой:

где a – величина зерна;

с.р. – скорость роста кристаллов; ч.ц. – число центров кристаллизации;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от условий кристаллизации.

Модифицирование – процесс регулирования числа центров кристаллизации. Вещество, специально введенное в расплав и способствующее образованию зародышей, называют модификатором.

Модифицирование решает следующие задачи:

измельчает макрозерно;

измельчает микрозерно (дендритные ячейки);

измельчает фазовые составляющие эвтектик и перитектик в абличной части хрупких и легкоплавких фаз (с изменением их состава путем введения присадок, образующих с этими фазами химические соединения);

измельчает первичные кристаллы, выпадающие при кристаллизации, в доили заэвтектических сплавах;

8

измельчает размер и изменяет форму и распределение неметаллических включений (интерметаллидов, карбидов, графита, оксидов, сульфидов, оксисульфидов, нитридов, фосфидов).

Одновременное решение всех этих задач зачастую оказывается невозможным. Так, измельчение макроструктуры часто сопровождается огрублением микрозерен. Иногда все же удается одновременно добиваться достижения нескольких из перечисленных целей.

Модифицирование отличается от легирования:

меньшим содержанием добавок (сотые или десятые доли процента);

меньшей продолжительностью действия модификаторов (общепринято 10…15 мин, однако некоторые модификаторы отличаются длительным действием).

Выделяют следующие способы модифицирования:

ввод в расплав добавок-модификаторов;

применение различных физических воздействий (регулирование температуры расплава, предварительное охлаждение расплава при переливе, суспензионная разливка, литье в температурном интервале кристаллизации, вибрация, ультразвук, электромагнитное перемешивание);

комбинированные способы, сочетающие вышеизложенные (ввод модификаторов + ультразвук и т.д.).

Модифицирование улучшает механические свойства отли-

вок и слитков. Так, в чугуне и силумине положительный эффект от действия модификаторов особенно сильно отражается на пластических характеристиках литого металла (таблица).

В качестве модификаторов используют поверхностноактивные вещества (например, бор в стали; натрий в алюминии и его сплавах), тугоплавкие тонкодисперсионные частицы (титан, цирконий в алюминии и его сплавах; алюминий, титан в стали). Модификаторы добавляют в сплавы в количествах от тысячных до десятых долей процента.

9

Результаты влияния модификаторов на механические свойства литого металла

Строение металлического слитка

На протекающий процесс кристаллизации действуют различные факторы:

–скорость и направление отвода тепла;

–наличие нерастворившихся частиц, т.е. центров кристаллизации;

–конвекционные потоки жидкости.

Изменяя скорость охлаждения, можно влиять на степень переохлаждения и, таким образом, на получаемую структуру, которая, в свою очередь, влияет на получаемые свойства.

Кристаллизация в формах и отливках идет в стороны, противоположные отводу тепла, т.е. перпендикулярно стенкам и дну. При формировании кристалла литейных сталей и некоторых металлов (Сu, Ag, Аu) сначала образуются так называемые оси первого порядка, затем от них под определенными углами начинают формироваться оси второго порядка, далее от них растут оси третьего порядка и т.д. (рис. 3). В результате такого процесса вырастает древовидный кристаллит (дендрит).

10