Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Чем мельче зерно, тем выше предел текучести и прочность металла. Одновременно при измельчении зерна увеличиваются пластичность и вязкость металла. Последнее особенно важно для металлических изделий, работающих при низких температурах. Повышенные пластичность и вязкость обусловлены более однородным составом и строением мелкозернистого металла, отсутствием в нем крупных скоплений, структурных несовершенств, способствующих образованию трещин.

Помимо перечисленных дефектов в металле имеются объемные дефекты: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины т. д. Эти дефекты снижают прочность металла.

2.1.2. Кристаллизация металлов и сплавов

Известно, что любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, называемой соответственно температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвижность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении определенной температуры, называемой температурой плавления, атомы вырываются из узлов и решетка разрушается с образованием жидкой фазы. Температура плавления – важная константа, информация о ней входит во все справочники: температура плавления ртути – 38,9; олова – 232; цинка – 419; алюминия – 660; меди – 1083; железа – 1536 и т. д. до температуры плавления вольфрама – 3410 °С.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жидкости и ее последующем затвердевании. При охлаждении жидкости, наоборот, подвижность атомов падает, вблизи температуры плавления образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, на которых впоследствии нарастает слой кристаллов. При достижении температуры плавления–затвер- девания вновь образуется кристаллическая решетка и металл переходит в твердое состояние.

Переход металла из жидкого в твердое состояние при определенной температуре называется кристаллизацией.

71

Механизм процесса кристаллизации. Процесс кристаллиза-

ции состоит из двух элементарных процессов – зарождения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

При температуре, близкой к температуре затвердевания, в жидком металле образуются небольшие группировки атомов, так называемые флуктуации, в которых атомы упакованы так же, как и в твердых кристаллах. Из части этих флуктуаций образуются зародыши, или центры кристаллизации. С увеличением степени переохлаждения возрастает число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени. Вокруг образовавшихся центров кристаллизации начинают расти кристаллы. Одновременно в жидкой фазе образуются новые центры кристаллизации. Увеличение общей массы затвердевшего металла происходит как за счет возникновения новых центров кристаллизации, так и за счет роста существующих. Схема последовательных этапов процесса затвердевания изображена на рис. 2.7.

Взаимным ростом кристаллов объясняется неправильная форма зерен. Реальные твердые кристаллы неправильной формы называются кристаллитами. Размер зерен определяется переохлаждением металла при кристаллизации и количеством зародышей – центров кристаллизации. Источником образования зародышей служат различные твердые частицы: неметаллические включения, оксиды, продукты раскисления.

Рис. 2.7. Схема последовательных этапов кристаллизации металла (а–г)

72

Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях, при этом образуются оси первого порядка. Одновременно на их ребрах происходят зарождение и рост перпендикулярных им осей второго порядка, затем третьего и т. д. В результате образуется древовидный кристалл – дендрит (рис. 2.8).

Так как при затвердевании имеет место избирательная кристаллизация, т. е. в первую очередь затвердевает более чистый металл, то границы зерен более обогащены примесями. Неоднородность химического состава в пределах дендрита называется дендритной ликвацией. В большей степени, чем другие элементы, ликвации подвержены углерод, сера, фосфор.

Рис. 2.8. Схема дендритного кристалла

Строение слитка спокойной стали можно представить себе следующим образом. Зерна (дендриты), образующиеся в стальном слитке, могут иметь различные формы, размеры и ориентировку. Схема строения слитка спокойной стали показаны на рис. 2.9.

Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зоны I, зоны столбчатых кристаллов II и зоны равноосных кристаллов III. Наружная мелкозернистая зона состоит из не-

73

ориентированных в пространстве мелких кристаллов. Ее образование обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл – холодные стенки изложницы. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, в нем образуется большое число центров кристаллизации, и он приобретает мелкозернистое строение.

Рис. 2.9. Строение слитка спокойной стали

После образования корковой зоны условия теплоотвода меняются, температурный градиент в прилегающем слое жидкого металла падает, снижается степень переохлаждения. В результате из сравнительно небольшого числа центров кристаллизации в направлении отвода тепла, т. е. перпендикулярно к стенке изложницы, начинают расти столбчатые кристаллы, образующие вторую зону. Развитие их в стороны сдерживается соседними дендритами.

Третья зона – зона равноосных кристаллов. В центре слитка нет определенной направленности отвода тепла. Здесь зародышами обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, усадочная пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадочной раковины и усадочной пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, в твердом состоянии имеют меньший удельный объем, чем в расплаве.

74

2.1.3. Исследования макро- и микроструктуры металлов

Наука, исследующая особенности структурообразования в металлах и сплавах, называется металлографией. Металлография является одним из разделов металловедения. В свою очередь, металловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при воздействии различных факторов (механических, химических, тепловых, электромагнитных, радиоактивных и др.).

Металлография изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металла. Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях – металлографических шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Полировку металла можно проводить механическим (при помощи абразивных материалов) и электролитическим (растворением в специальном реактиве под действием электрического тока) способами.

Существуют различные способы выявления структуры металла. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе поверхность шлифа подвергают воздействию специального реактива, который в зависимости от цели исследования выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные слои, поры, трещины и прочие детали строения металла.

Для практических целей обычно проводят исследование макро- и микроструктуры.

Макроструктура – это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (в 30–40 раз). Анализ макроструктуры позволяет обнаружить в металле крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявить направление волокон после обработки металла давлением.

Микроструктура – это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. Анализ микроструктуры дает возможность определить величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявить мик-

75