Типы кристаллических структур и морфологические схемы кристаллизации сплавов

Процесс формирования кристаллического строения металла отливок определяет конструктивные и служебные свойства литых заготовок. Основной структурной единицей структуры первичной кристаллизации металла является зерно, которое характеризуется единой системой ориентации атомно-кристаллической решетки. В простейшем случае зерно обладает округлыми границами. Основу литого зерна в металлах и сплавах в большинстве случаев составляет дендрит — кристаллит древовидной формы.

Каждый дендрит вырастает из одного центра кристаллизации и имеет определенную кристаллографическую ориентировку.

Формирование дендритов вместо полногранных кристаллов является следствием воздействия многих факторов. Важнейший из них — анизотропия строения и свойств кристалла. Этот фактор определяет преимущественный рост кристалла в направлении, перпендикулярном к плоскостям с наиболее плотной упаковкой атомов; в результате вершины и ребра растут быстрее, чем грани.

Другой важной причиной является наличие примесей в расплаве, которые могут препятствовать свободному росту грани. В результате ребра и вершины находятся в более благоприятном положении, чем грани, так как лучше омываются конвекционными потоками. Кроме того, перед гранью кристалла температура должна быть несколько выше вследствие выделения теплоты кристаллизации. Во многих случаях введение примесей приводит к замене полногранной формы роста на дендритную. Существенным фактором являются также условия охлаждения: увеличение скорости кристаллизации и возрастание переохлаждения расплава способствуют образованию дендритных форм.

Более энергичный рост кристалла у вершин и слабый рост в центрах граней искажают полногранную форму и приводят к развитию ветвистого дендрита (рис. 5.5, а, б). Первоначально растут ветви, называемые осями первого порядка, от них под определенным углом — ветви, называемые осями второго порядка; наблюдаются также очень короткие слабо развитые оси третьего порядка. Ветви дендритов к окончанию кристаллизации металла плотно срастаются. В сплавах некоторые компоненты и примеси вытесняются в междуосные пространства и тем самым отделяют оси дендрита друг от друга прослойками включений, твердым раствором измененного состава, или эвтектикой (рис. 5.5, в).

По наблюдениям Б. Чалмерса, в условиях, когда в жидкой фазе существует небольшой, но резкий положительный температурный градиент, а оттесняемые примеси диффундируют в жидкую фазу, в сплаве образуются ячеистые дендриты. Они состоят из квадратно-пирамидальных или коробчатых ячеек, которые образуют ветви дендритов. В результате возникает «крестообразная» микро- и макроструктура, рисунок которой зависит от направления сечения шлифа. Подобные структуры характерны для отливок из медных, никелевых и некоторых других сплавов, полученных в условиях направленного теплоотвода.

Дендритное строение металла выявляется на макрошлифах после травления. Каждый сформировавшийся дендрит образует от-

Дендритное строение сплава в литом состоянии

Рис. 5.5. Дендритное строение сплава в литом состоянии:

а — схема роста дендрита по Д.К. Чернову (I—III — оси первого, второго и третьего порядка); б — то же, по А.А. Бочвару; в — микроструктура сплава — дендрит, окруженный эвтектикой (1,2 — продольное сечение осей I и II порядка, 3 — поперечное сечение осей II порядка); г — макроструктура сплава — закристаллизовавшиеся дендриты

дельное макрозерно (рис. 5.5, г). В процессе кристаллизации дендриты беспрепятственно растут только в начальный момент, затем они сталкиваются и мешают росту друг друга. В результате макрозерна имеют неопределенную внешнюю форму, а их размеры колеблются в очень широких пределах: от десятых долей до десятков миллиметров. Дендритное строение определяет специфику макро- и микроструктуры сплавов в литом состоянии.

Внешний вид (фотографии) дендритов, извлеченных из усадочных раковин отливок из №—Сг—Mo-стали, приведен на рис. 5.6,

Дендритные кристаллы (Н.И. Хворинов)

Рис. 5.6. Дендритные кристаллы (Н.И. Хворинов)

Макроструктура дендритного кристалла в разрезе (Н.И. Хворинов)

Рис. 5.7. Макроструктура дендритного кристалла в разрезе (Н.И. Хворинов)

а разрез с макроструктурой одного из дендритных кристаллов после травления — на рис. 5.7.

Вопрос о причинах и условиях формирования той или иной макроструктуры в отливке достаточно сложен.

По геометрической форме принято различать равноосные и столбчатые зерна. Соответственно макроструктура может быть равноосной, столбчатой или смешанной.

В общем случае кристаллическое строение большинства отливок и слитков является типичным и состоит из трех макроструктур-

Схема распределения структурных зон в слитке

Рис. 5.8. Схема распределения структурных зон в слитке:

1 — мелкозернистая зона; 2 — зона столбчатых кристаллитов; 3 — зона равноосных кристаллитов

ных зон: периферийной мелкозернистой, столбчатых кристаллов и крупных равноосных кристаллов центральной зоны (рис. 5.8).

Кристаллическое строение отливки определяется факторами, связанными как с процессом образования зародышей, так и со свойствами сплава и формы. В зависимости от условий кристаллизации кристаллы растут с различными скоростями, что, в свою очередь, отражается на форме отдельных кристаллов и в морфологии фронта их роста.

Описание механизма образования структурных зон на примере стального слитка впервые дано Д.К. Черновым в 1878 г.

Первая зонанаружная (периферийная) мелкозернистая корка 1, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов- дендритов. В результате соприкосновения с холодными стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий температурный градиент и переохлаждение, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. Как следствие этого, корка приобретает мелкозернистое равноосное строение, еще ее называют зоной замороженных кристаллов.

Вторая зона слитказона столбчатых кристаллов 2. После образования корки условия теплоотвода меняются (из-за теплового сопротивления самой корки, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), 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 (т.е. в направлении отвода тепла) столбчатые кристаллы.

Третья зона слитказона равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла, температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках, и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние из-за образования в различных ее точках зародышей кристаллов. Далее зародыши разрастаются осями — ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого процесса образуется равноосная, как правило, крупнозернистая структура. Особенно это характерно для крупных отливок и слитков.

На рис. 5.9 и 5.10 приведены первичная и дендритная макроструктуры слитка диаметром 130 мм в поперечном разрезе.

Относительное распределение в объеме слитка зоны столбчатых и равноосных кристаллов имеет большое значение.

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный. Однако места стыка столбчатых кристаллов обладают малой прочностью. Наиболее высокой плотностью, прочностью и пластичностью обладает первая зона — мелкозернистая литейная корка, которую всегда стремятся сохранить.

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации. При отливке стальных слитков следует избегать транскристаллизации, так как по стыку столбчатых кристаллов в слитках при прокатке часто получаются трещины, и слитки разваливаются. Однако у мягких цветных металлов, несмотря на наличие транскристаллизации, трещины не получаются, и поэтому для получения более плотной отливки даже

Первичная структура слитка диаметром 130 мм после травления азотной кислотой (Н.И. Хворинов)

Рис. 5.9. Первичная структура слитка диаметром 130 мм после травления азотной кислотой (Н.И. Хворинов)

Дендритная структура образца, показанного на рис. 5.9, после травления по Розенгайну (Н.И. Хворинов)

Рис. 5.10. Дендритная структура образца, показанного на рис. 5.9, после травления по Розенгайну (Н.И. Хворинов)

Транскристаллизация слитка алюминиевой бронзы

Рис. 5.11. Транскристаллизация слитка алюминиевой бронзы:

а — полная транскристаллизация; б — смешанная макроструктура

умышленно стремятся добиться во всем объеме образования только столбчатых кристаллов.

Степень развития столбчатых кристаллов будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени его перегрева, размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины ее стенок. Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т.д. Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка может повести к полной транскристаллизации (рис. 5.11, а); при несколько замедленном охлаждении в центре слитка образуется зона равноосных кристаллов (рис. 5.11, б).

Более полное описание формирования структуры отливок было предложено И.Б. Куманиным, который весь процесс разбил на четыре стадии.

Стадия I протекает в период заливки литейной формы и в первые моменты после ее окончания. Значение коэффициента теплоотдачи а в этот момент очень большое (т—>0; а->со), поэтому в тонком поверхностном слое отливки температура резко понижается, в то время как практически во всех остальных слоях сохраняется температура перегрева (рис. 5.12,а). На границе контакта с формой образуется тонкая твердая корка 1, а также очень тонкий слой

Изменение температуры металла по сечению отливки на стадиях I (а), III (б) и IV (в) процесса формирования структуры

Рис. 5.12. Изменение температуры металла по сечению отливки на стадиях I (а), III (б) и IV (в) процесса формирования структуры

твердожидкого сплава — двухфазная область 2. В центральной части отливки сохраняется область жидкого сплава 3.

Кристаллы в этом слое растут в условиях высокой степени переохлаждения, что приводит к образованию большого числа центров кристаллизации за счет возникновения зародышей как на подложках, так и без них. Появление большого числа зародышей вызывает интенсивный рост суммарной поверхности кристаллов. Одновременный рост многих кристаллов в этой зоне происходит в условиях взаимной конкуренции, что приводит к формированию мелкозернистой макроструктуры. Мелкие равновесные кристаллы, образующиеся в поверхностном слое отливки, называют замороженными кристаллами. Большая скорость отвода теплоты, в том числе теплоты кристаллизации, предопределяет разветвленное строение кристаллов, деформирующихся в этих условиях. Это приводит к тому, что микроструктура мелких зерен, как правило, характеризуется дендритным строением.

Стадия II процесса затвердевания протекает после образования твердой корки в поверхностном слое, когда возрастает сопротивление отводу теплоты от расплава к форме. В этот период происходит выравнивание температур поверхностного и центральных слоев за счет конвекции расплава. Это может привести к полному или частичному расплавлению образовавшейся твердой корки.

Затвердевание на этой стадии идет до тех пор, пока в центральной зоне продолжается конвекция, выравнивающая температуру расплава.

Стадия III процесса затвердевания отливки начинается в тот момент, когда скорость передачи теплоты от центральной зоны к форме или к сохранившейся твердой корке резко уменьшается. Это происходит, когда конвективное перемешивание расплава прекращается в результате повышения его вязкости. В начале этой стадии у поверхности формы или на сохранившейся твердой корке начинается нарастание твердой фазы, и все сечение отливки имеет температуру не выше ^008 (рис. 5.12, б), при которой в расплаве уже образуется ~8 % твердой фазы. Твердая фаза может попасть во внутренние слои расплава вследствие различных причин: за счет опускания кристаллов с поверхности расплава (рт > рж); в результате отделения дендритных ветвей от боковых поверхностей и их размножения; за счет появления и роста зародышей при понижении температуры, особенно при наличии гетерогенных центров кристаллизации. Температура ^008 для данного сплава определяется по диаграмме состояния.

В соответствии с законом А. Эйнштейна вязкость жидкости увеличивается лавинообразно при возрастании в ней суспензированных твердых частиц до 8 %.

Необходимо отметить, что жидкость при То08 не будет переохлаждена. Стадия III закончится тогда, когда процесс теплообмена теплопередачей достигнет центра отливки. На этой стадии одновременно могут существовать твердая корка 1, двухфазная область 2 и область подвижного жидкого сплава 3, содержащего лишь ограниченное число твердых частиц.

С точки зрения формирования структуры, именно на стадии III происходит рост столбчатых кристаллов из наружной зоны, причем расти продолжают только те кристаллы, которые благоприятно ориентированы относительно теплового потока. Поверхность раздела между столбчатыми кристаллами и жидкостью может быть гладкой, ячеистой или ячеисто-дендритной в соответствии с составом сплава и скоростью затвердевания. Развитие столбчатых кристаллов объясняется многими причинами. Во-первых, наибольшее переохлаждение жидкости возникает у граней кристаллов, обращенных к центру отливки, а не в направлении к поверхностям рядом растущих кристаллов. Во-вторых, только их передние концы непосредственно контактируют с исходной жидкостью, а боковые поверхности соприкасаются с жидкостью уже измененного за счет ликвации ряда элементов состава. Накопление ликвирующих элементов в жидкости, находящейся между растущими кристаллами, задерживает рост боковых поверхностей кристаллов. Кроме того, в исходной жидкости не содержится твердой фазы, рост которой происходил бы одновременно с ростом столбчатых кристаллов, т.е. отсутствует препятствие их росту со стороны жидкости.

При увеличении скорости роста столбчатых кристаллов, когда их вершины далеко выдвигаются в расплав, на локальных участках их боковых поверхностей, контактирующих с жидкостью с наименьшей ликвацией растворенного вещества, начинают расти боковые ветви кристаллов, т.е. формируется дендрит. Ветви дендрита, растущие в направлении, противоположном теплоотводу, считаются его первичными (главными) осями, а расположенные перпендикулярно им — вторичными осями. На вторичных осях дендрита в свою очередь могут начать расти ветви третьего порядка.

Стадия IV начинается после того, как температура во всех слоях отливки и даже в ее центре станет ниже Т008 (рис. 5.12, в). На этой стадии по сечению отливки существует лишь область твердого сплава 1 и двухфазная область 2. Происходит не только снижение температуры, но и уменьшение кривизны температурных кривых; они становятся более пологими. Это соответствует условию, при котором центр отливки охлаждается быстрее, чем периферия. Интенсивность теплоотвода от отливки снижается, температурные перепады по сечению отливки уменьшаются.

Стадия IV заканчивается, когда центр отливки охлаждается до температуры 1сол. Зона твердожидкого металла исчезает. Как уже неоднократно было показано, дендритный рост твердой фазы определяется высокой скоростью кристаллизации (теплоотвода). Когда в твердожидком состоянии остается лишь центральная зона отливки, скорость теплоотвода в результате увеличения теплового сопротивления затвердевшего металла и нагрева формы существенно снижается. Переохлаждение расплава у вершин дендритов уменьшается, их разветвление прекращается. Часть ветвей оплавляется и падает в жидкую фазу. Кроме того, при кристаллизации сплавов центральная зона отливки может обогащаться некоторыми тугоплавкими компонентами. При замедлении охлаждения может наступить такой момент, когда переохлаждение распространится за фронт кристаллизации в центральную часть отливки, где жидкость более тугоплавка. Это явление называется концентрационным переохлаждением. Все это приводит к тому, что в центральной зоне отливки начинают формироваться крупные равноосные зерна. Однако в крупнозернистых кристаллитах выявляется внутренняя микроструктура, весьма сходная с дендритной, но не имеющая ориентации в направлении теплового потока.

На разных стадиях формирования отливок в зависимости от литейных сплавов и тепловых условий можно классифицировать основные морфологические схемы процесса кристаллизации, представленные на рис. 5.13. Формирование направленной структуры — рис. 5.13, аг, равноосной структуры — рис. 5.13, дз. Схемы рис. 5.13, а ид соответствуют процессам кристаллизации с формированием плоского фронта на границе раздела жидкой и

Морфологические схемы кристаллизации сплавов в отливке

Рис. 5.13. Морфологические схемы кристаллизации сплавов в отливке

твердой фаз. Для обеих схем характерными являются высокие скорости охлаждения и большие значения температурных градиентов дТ/Зх в направлении продвижения фронта затвердевания. Но по схеме рис. 5.13, а предпочтительна кристаллизация чистых металлов и сплавов с узким интервалом затвердевания, а по схеме рис. 5.13, д кристаллизуются сплавы с широким интервалом затвердевания. Схемы рис. 5.13, б, е отвечают процессам кристаллизации с неровным фронтом границы раздела твердой и жидкой фаз.

Для направленной кристаллизации (рис. 5.13, б) выступающие дендритные оси первого порядка создают сочетание выступов и впадин, характеризующих специфику такого неровного фронта кристаллизации. Для равноосной структуры (рис. 5.13, е) нет четкой границы раздела твердой и жидкой фаз, а области твердого и жидкого сплава разделяет область двухфазного сплава, в которой кристаллиты разделены жидким металлом. Схемы рис. 5.13, в, ж соответствуют процессам кристаллизации с твердожидким фронтом затвердевания; для этих схем характерным является наличие кристаллитов и жидкой фазы по всей толщине стенки отливки, но доля твердой фазы преобладает над жидкой фазой. Для твердожидкого фронта с направленной структурой (рис. 5.13, в) характерны существенно меньшие величины температурных градиентов для чистых металлов и узкоинтервальных сплавов, а для твердожидкого состояния с равноосной структурой (рис. 5.13, ж) — средние скорости охлаждения (затвердевание в песчаных формах средних величин толщин стенок) и сплавы с широким интервалом затвердевания. Схемы на рис. 5.13, г, з отвечают формированию отливок на стадии жидко-твердого состояния. Обе схемы присущи кристаллизации широкоинтервальных сплавов с весьма малыми скоростями охлаждения — массивные отливки, формирующиеся в неметаллических формах. Но для направленной структуры характерно наличие однонаправленного теплоотвода, хотя и с малой величиной температурных градиентов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >