Строение стального слитка: Методические указания к лабораторной работе по курсам «Технология производства металла», «Теория строения материалов»

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет

(ГОУ ВПО КНАГТУ)

Кафедра «Материаловедение и технология новых материалов»

СТРОЕНИЕ СТАЛЬНОГО СЛИТКА

Методические указания к лабораторной работе

Комсомольск-на-Амуре 2003

УДК 621. 785 (076)

Строение стального слитка: Методические указания к лабораторной работе. /Сост. Н.Е. Емец, С.Н.Вагнер - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 2003. - 8 с.

Методические указания содержат ряд теоретических сведений о строении стальных слитков в зависимости от условий охлаждения металла, формировании структуры металла в реальных условиях.

Предназначены для студентов 2-го курса специальности 120800 изучающих курсы «Технология производства металла», «Теория строения материалов» дневной формы обучения.

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Согласовано с отделом стандартизации. Рецензент   А.А.Покровский

 Редактор

Цель работы: 1) ознакомиться со строением стального слитка; 2) изучить макростроение металлических слитков.

1 Основные сведения

Любое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением.

Кристаллизация – процесс образования кристаллов (кристаллической решетки) как из жидкой или газообразной фазы (первичная кристаллизация), так и из твердой фазы (вторичная кристаллизация).

Затвердевание начинается с образования в расплаве зародышей.

В условиях, близким к равновесным, образуются ограненные кристаллы. Правильная форма начинает разрушаться, как только два растущих кристалла соприкасаются друг с другом. В точке соприкосновения рост граней прекращается. Наличие примесей в расплаве также способствует образованию кристаллов неправильной формы, так как, откладываясь на гранях растущего кристалла, примеси тормозят их рост в месте отложения.

В металлах и сплавах обычно происходит превращение первоначально правильно растущего кристалла в скелетную или древовидную, так называемую дендритную форму (рисунок 1).

Рисунок 1 – Дендритная структура слитка

Основной причиной дендритного роста кристаллов является различие условий для роста полигранного кристалла во всех точках, а именно: наличие примесей в расплаве, которые, скапливаясь на гранях растущего кристалла, тормозят их рост и разная скорость роста кристаллов в разных направлениях, связанная с анизотропией кристаллического вещества.

Поскольку питание растущего кристалла жидким металлом между ветвями дендрита затруднено, для дендритной структуры характерна более или менее ярко выраженная пористость.

Вследствие указанных причин кристаллы в реальных металлических слитках имеют неправильную форму. Они называются зернами или кристаллитами. Описание строения стального слитка впервые дано в 1878 году Черновым Д.К.

В литых изделиях различают три зоны кристаллизации: на поверхности находится мелкозернистая зона, затем следует область столбчатых кристаллов и в середине – зона равноосных кристаллов (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зоны кристаллизации в слитке.

Мелкозернистая зона составляет слой в несколько миллиметров, она состоит из металла, который очень быстро затвердел при соприкосновении с изложницей. Эта зона соответствует первой фазе затвердевания, когда быстрое охлаждение расплава дает многочисленные зародыши и, следовательно, очень мелкие разориентированные кристаллы (рисунок 3).

Рисунок 3 – Мелкозернистая структура слитка

Уменьшение степени переохлаждения при остывании слитка дает возможность образования так называемых столбчатых кристаллов, которые сильно вытянуты в направлении центра слитка (рисунок 4).

Рисунок 4 – Формирование столбчатых кристаллов

Длина этих кристаллов меняется в широких пределах (от 1 до 10 см). В поперечном сечении слитка столбчатые кристаллы перпендикулярны к сторонам слитка (рисунок 5 и 6).

Рисунок 5 – Схема расположения столбчатых кристаллов

в поперечном сечении слитка

Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, называется транскристаллизацией (рисунок 5 и 6а).

Рисунок 6 – Расположение столбчатых кристаллов в слитке

В продольном сечении столбчатые кристаллы слегка наклонены в направлении головной части слитка (рисунок 7)

Рисунок 7 – Расположение столбчатых кристаллов

в продольном сечении слитка

Условием образования столбчатых кристаллов является направленное с достаточно высокой скоростью охлаждение.

Ширина зоны столбчатых кристаллов будет изменяться в зависимости от химического состава, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины ее стенок. Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образования больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т.д. (рисунок 8).

В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, содержит меньше раковин и газовых пузырей.

Однако, в стальных слитках следует избегать транскристаллизации, так как по стыку столбчатых кристаллов в слитке при прокатке часто получаются трещины и слитки разваливаются.

У мягких цветных металлов, несмотря на наличие транскристаллизации, трещин не получается и, поэтому, для получения более плотной отливки даже умышленно стремятся добиться во всем объеме образования только столбчатых кристаллов.

Образование зоны равноосных кристаллов происходит тогда, когда температура застывающего металла успевает почти совершенно уравняться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом.

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

Повышение степени перегрева и увеличение скорости охлаждения слитка может привести к полной транскристаллизации, при несколько замедленном охлаждении в центре слитка образуется зона равноосных кристаллов (рисунок 9).

Рисунок 9 – Транскристаллизация слитка алюминиевой бронзы:

а – при быстром охлаждении; б – при замедленном охлаждении.

2 Задание

1)  Рассмотреть слитки различных металлов.

2)  Дать описание структуры слитков.

3)  Представить отчет к защите.

3 Контрольные вопросы

1)  Что такое кристаллизация?

2)  Каковы условия начала кристаллизации?

3)  Каковы причины дендритного роста кристаллов?

4)  Назовите характерные особенности столбчатой структуры?

5)  Каковы условия образования мелких дендритных кристаллов в слитке?

6)  Назовите характерные особенности дендритной структуры?

7)  Каковы условия образования столбчатых кристаллов?

8)  Что такое кристаллит? Причины их образования?

9)  Каковы условия образования равноосных кристаллов?

10)  Что такое транскристаллизация?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.  Гуляев А.П. Металловедение.-М.: Металлургия, 1986.- 541 с.

2.  Мозберг Р.К. Материаловедение.-М.: Высшая школа, 1991.- 445 с.

3.  Металлография железа (с атласом микрофотографий) /Под ред. акад. А.Н. Груз. ССР Ф.Н. Тавадзе.- М.: Металлургия, 1972.- 236 с.