3. Размер зерна, образующегося при кристаллизации. Строение кристаллического слитка

Как видно из рис. 16, в случае малого переохлаждения n кристаллизация происходит главным образом за счет роста небольшого количества центров кристаллизации. В результате образуется крупнозернистая структура. Число зерен N, образующихся при кристаллизации, а значит и размер зерна, могут быть определены по значениям ч.ц. и с.р. по формуле гдеk — коэффициент.

№ 32. Какая структура металла образуется при степе­нях переохлаждения n₁, n₂, n₃ (рис. 16)? Ответ (см. на с. 30): при 1) n₁ – мелкокристаллическая, n₂ - крупнокристал­лическая, n₃ - сохраняется жидкое состояние; 2) n₁ - крупно­кристаллическая, п₂ – мелкокристаллическая, n₃ - аморфная (переохлажденная жидкость); 3) n₁ - крупнокри­сталлическая, n₂ – мелкокристаллическая, степень пере­охлаждения n₃ для металлов недостижима.

Чаще всего, оптимальной является мелкокристаллическая структура. У материалов с крупнокристаллической структурой ряд свойств (особенно ударная вязкость и пластичность) являются пониженными.

Выше были рассмотрены процессы кристаллизации в случае самопроизвольного (спонтанного) образования центров кристаллизации.

При кристаллизации технических металлов и сплавов помимо этого механизма имеются дополнительные источники центров кристаллизации. Зародыши кристаллизации могут образоваться на существующих в металле инородных включениях, окислах или других химических соединениях, случайно ока­завшихся в расплаве или специально вводимых в жидкий расплав с целью увеличения числа центров. В последнем случае имеет место модифицирование металла. Конечной целью модифицирования является повышение механических свойств металла за счет измельчения зерна. В отдельных случаях модифицированием достигается изменение формы кристаллизующейся фазы.

Эффективность инородных включений, как центров кристаллизации, определяется их кристаллическим строением и максимальна в случае их изоморфности (однотипности) с образующимися кристаллами.

№ 33. Отливки получены литьем в земляную форму и в кокиль. В каком случае механические свойства отливок выше? Почему? Ответ (см. на с. 31) у отливок залитых: 1) в земляную форму, из-за малой скорости охлаждения лучше структура; 2) в кокиль, образуется мелкокристаллическая структура из-за большой скорости охлаждения.

№ 34. Исходя из сущности явлений при кристаллизации, установите каковы роли энергетического и кинетического факторов в процессе кристаллизации и структурообразования? Ответ (см. на с. 31): 1) энергетический фактор (G) определяет возможность кристаллизации и структуру; 2) превалирующее влияние на ход и результаты процесса оказывает подвижность атомов, необходимая для образования и роста кристаллов; 3) энергетический фактор G обуславливает возможность процесса; скорость процесса и качество строения кристаллического тела (структуру) определяет кинетический фактор.

На кристаллическое строение слитков и отливок, кроме рассмотренных, оказывает влияние множество других факторов, учет которых представляет значительные труд­ности. Одним из факторов, который сильно влияет на форму кристаллов, является направление отвода тепла при кристаллизации. Установлено, что кристаллы с макси­мальной скоростью растут в направлении противополож­ном направлению отвода тепла. В результате этого обра­зуются древовидные кристаллы, именуемые дендритами (рис. 20в).

Как видно из рис. 20, а слиток состоит из трех зон: 1 — мелкокристаллической корковой зоны; 2 — зоны столбчатых кристаллов; 3 — внутренней зоны крупных равноосных кристаллов. Образование этих зон может быть объяснено три учете условий охлаждения жидкого металла, залитого в холодную изложницу.

Кристаллизация корковой зоны 1 идет в условиях максимального переохлаждения, когда скорость кристаллизации определяется большим числом центров, благодаря чему образуется мелкокристаллическая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. В этих условиях меньше число центров кристаллизации и процесс кристаллизации реализуется главным образом за счет интенсивного роста ограниченного числа кристаллов, которые имеют возможность, вырасти до больших размеров. Рост кристаллов в зоне 2 имеет направленный характер — перпендикулярно стенкам изложницы.

Теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка выравнивается в разные стороны, и в центральной зоне образуются крупные дендриты с различной (случайной) ориентацией. Степень развитости различных зон в слитке зависит от состава, степени перегрева металла, размера и формы слитка, скорости разливки. На рис. 20г представлено строение слитков из алюминия в зависимости от температуры перегрева металла.

Как видно из рис. 20б зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются. Такое явление носит название транскристаллизации. Для малопластичных металлов, а также для стали, транскристаллизация — явление нежелательное, так как при последующей прокатке (ковке) в зоне стыка кристаллов могут образоваться трещины. В верхней части слитка при кристаллизации образуется усадочная раковина.

При горячей обработке слитка давлением дендриты вытяги­ваются вдоль направления деформирования металла и образуют волокнистую структуру (рис. 21): возникает резкое различие прочности металла вдоль и поперек волокна. В процессе горячей деформации следует добиваться, чтобы расположение волокон совпадало с направлением главных усилий в деталях при работе.

№35. Какой из коленчатых валов, представленных на рис. 21 изготовлен правильно? По какому сечению следует ожидать разрушения вала? Ответ (см. на с. 31): 1) а, по а — b; 2) б, по а — b; 3) б; по с — d.