Материаловедение Схема строения

1. Приведите схему строения стального слитка. В чем сущность ликвации по плотности и физической неоднородности? Каково их практическое значение?

При заливке в форму (изложницу) большой массы металла затвердевание не может идти одновременно во всем объеме слитка, оно начинается у мест, от которых отводится тепло — у стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь формы. Поэтому в слитке наблюдаются области (зоны) с неодинаковым строением кристаллов (зерен).

Строение стального слитка впервые исследовал и опубликовал в 1878 г. Д. К. Чернов, а более поздние работы уточнили и подтвердили многие его взгляды на процесс кристаллизации стали.

Схема строения стального слитка приведена на рис. 1, а , а ориентировка кристаллов в различных зонах— на рис. 1, б. Как видно из приведенной схемы, в слитке имеются три структурные зоны. Первая, наружная, зона 1 — мелкие равноосные кристаллы. Они образуются при соприкосновении расплавленного металла с холодными стенками изложницы; металл переохлаждается и возникает значительное число центров кристаллизации, тем более, что посторонние твердые частицы и выступы на поверхности изложницы создают дополнительные центры кристаллизации. Зона 1 распространяется на небольшую глубину.

Рис. 1. Схемы строения слитка (а) и роста дендритов (б)

Зона 2 характеризуется образованием крупных столбчатых кристаллов, которые растут перпендикулярно стенкам и дну изложницы, в сторону, обратную направлению отвода тепла от жидкости.

Зона 3 состоит из различно ориентированных равноосных кристаллов разного размера, но они всегда больше, чем кристаллы зоны 1.

Столбчатые кристаллы для малопластичных металлов с точки зрения механической прочности нежелательны. Особенно непрочными являются места встречи дендритов, растущих от разных стенок изложницы. Они являются местами образования различных дефектов — пустот, неметаллических включений и т. п.

Вследствие неравномерной кристаллизации зерен дендритной формы химический состав в разных местах одного и того же дендрита получается неоднородным. Эта неоднородность состава внутри одного кристалла названа внутрикристаллической или дендритной ликвацией.

В слитке благодаря кристаллизации по зонам происходит также ликвация, называемая зональной (макроскопической).

Рис.2. Схема образования усадочной раковины.

Наибольшее скопление примесей наблюдается в центре, в верхней части слитка. Явление ликвации было обнаружено в 1866 г. русскими инженерами А. С. Лавровым и Н, В. Калакуцким

При затвердевании и охлаждении слитка происходит сокращение объема, которое называется усадкой. Усадка не может происходить за счет общего понижения уровня металла, так как затвердевание слитка начинается у стенок и дна изложницы, а также с поверхности. Если принять, что сверху слитка поверхностной корки не образуется, что иногда бывает и практически, то слиток будет затвердевать по раковины схеме, приведенной на рис. 2.

Затвердевание у стенок изложницы слоя 1 с уменьшением объема вызовет понижение уровня оставшегося жидкого металла, поэтому затвердевание слоя 2 и последующих слоев будет вызывать все большее понижение уровня жидкого металла — в результате в слитке получится воронкообразное углубление, которое называется усадочной раковиной.

Под усадочной раковиной обычно располагаются мелкие усадочные раковинки (поры), которые создают зону, называемую усадочной рыхлостью. Усадочная рыхлость связана с образованием между растущими кристаллами отдельных замкнутых объемов металла, в которых происходит местная усадка и появляются мелкие раковины. Кроме того, под усадочной раковиной располагается ликвационная зона.

Та часть слитка, в которой расположены усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвационная зона, является дефектной частью (прибыльная часть), ее нельзя использовать для изготовления деталей, а необходимо отделить от здоровой части слитка. Перед дальнейшей обработкой давлением прибыльная часть слитка отрубается или отрезается, что дает отход 15-25 % металла. К дефектам слитка относят также газовые пузыри, которые образуются из-за наличия большого количества газов в жидком металле. Часть их при затвердевании удаляется, а часть остается внутри слитка и образует газовые пузыри, микро- и макропоры.

2. Что такое мартенсит и как он образуется в стали? Каково влияние углерода и легирующих элементов на положение мартенситных точек?

Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как феррито-цементитные смеси. Характерной особенностью аустенито - мартенситного превращения является его бездиффузионный характер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Решетка g-железа перестраивается в решетку a-железа. Углерод остается внутри решетки a-железа, в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Значительное пересыщение a-железа углеродом вызывает изменение объемноцентрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 3). Атомы углерода в такой ячейке располагаются в междоузлиях (что характерно для твердого раствора внедрения) или в центре основания (сторона а ), или в середине удлиненных ребер (сторона с ). Степень тетра