Металл или сплав при затвердевании получается крупнозернистым если
Обновлено: 17.05.2024
Размер зерна в значительной степени влияет на механические качества материала. Крупнозернистый металл обладает меньшей прочностью и твердостью по сравнению с мелкозернистым. К достоинствам крупнозернистого металла следует отнести то, что он обладает меньшими пружинящими свойствами. [31]
Вблизи температуры плавления ковкость быстро падает вследствие ослабления связей между зернами. Перегретый крупнозернистый металл или пережженный металл с окисленными границами зерен при деформации весьма часто разрушается с образованием пограничных трещин. Пограничное залегание сульфидных эвтектик в углеродистых сталях или карбидных эвтектик в хромистых и быстрорежущих сталях во время горячей штамповки может привести к разрушению металла. [32]
В металлах затухание определяется главным образом рассеянием энергии колебаний зернами металлов, на границах зерен и структурных составляющих. В крупнозернистых металлах амплитуда ультразвукового сигнала изменяется сильнее, чем в мелкозернистых. Остаточные напряжения в металле создают изменение структуры металла. [33]
Реальная чувствительность метода в сильной степени падает при контроле материалов, вызывающих значительную структурную реверберацию. Массивные изделия, содержащие зоны крупнозернистого металла , сварные соединения, характеризующиеся крупнозернистой структурой шва и околошовной зоны, являются поэтому трудными объектами для контроля. Упругие волны, встречая на своем пути грани кристаллитов, размеры которых соизмеримы с длиной волны, многократно отражаются в различных направлениях и, пройдя сложный путь, приходят в виде многочисленных эхосигналов к пьезопреобразователю. Амплитуда эхосигналов различна, время прихода их к преобразователю также различно, и в результате на экране дефектоскопа появляется множество сигналов, маскирующих эхосигнал от дефекта. [34]
При установлении режима обработки необходимо учитывать значение допустимой степени деформации сплава, которая определяется пластическими свойствами. Допустимые степени деформации цветных металлов и сплавов меньше для литого и крупнозернистого металла , а также для металла, находящегося в многофазном состоянии и имеющего гексагональную кристаллическую решетку по сравнению с металлом, предварительно деформированным с мелкозернистой структурой, находящимся в однофазном состоянии и имеющим кубическую гране-центрированную кристаллическую решетку. [36]
Чувствительность дефектоскопа падает при контроле металла, имеющего хотя бы только зональное крупное зерно; тогда может исчезнуть донный сигнал и единичные крупные зерна принимают за несплошности, что может привести к неправильной забраковке изделия. Это относится также к сварным швам и околошовной зоне с крупнозернистым металлом . [37]
На практике тантал уплотняют спечением в вакууме, а также дуговой или электроннолучевой плавкой в вакууме порошковых прессовок. Вакуумное спечение дает мелкозернистый металл, а при электроннолучевой плавке получается более мягкий крупнозернистый металл , требующий холодной ковки перед прокаткой. Материал, полученный любым из трех названных способов, способен испытывать значительную холодную деформацию, прежде чем возникает необходимость в отжиге. [38]
На рис. 36 показана микроструктура железа после рекристаллизации при 700 С. Чем выше температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают активнее и создаются условия для образования крупнозернистого металла , общая свободная энергия которого ниже, чем у мелкозернистого. [40]
В результате амплитуда донного сигнала при сканировании изменяется даже при идеально постоянных условиях контроля. Это особенно заметно при локализации участка про-звучивания, когда этот небольшой участок металла не является представительной выборкой распределения величин зерен, например, при прохождении УЗ небольшого расстояния в крупнозернистом металле . Параметры статистического распределения донного сигнала корреляционно связаны с распределением размеров зерен в металле. [42]
В правую часть этого неравенства входят постоянные величины, ограничивающие чувствительность. Согласно (2.22) при малых толщинах и низких частотах ультразвука чувствительность дефектоскопа при временном теневом методе становится больше, чем при обычном теневом методе, поэтому его применение предпочтительно при контроле крупнозернистых металлов . Чувствительность при временном теневом методе существенно снижается ввиду непостоянства скорости ультразвука в изделии. [44]
Отчет по лабораторной работе 2 Влияние кристаллизации на структуру и свойства металлов и сплавов
Единственный в мире Музей Смайликов
Самая яркая достопримечательность Крыма
лабораторной работе №2
«Влияние кристаллизации на структуру и свойства металлов и сплавов»
По дисциплине: материаловедение
1.Цель работы
Изучить механизм и кинетику процесса кристаллизации.
Изучить макроструктуру металлических слитков.
Изучить влияние условий кристаллизации на структуру и механические свойства металла.
2.Оборудование и теоретическое описание работы
Оборудование: биологические микроскопы, муфельная электропечь с термопарой и автоматическим потенциометром, металлическая форма (кокиль), керамическая форма, маятниковый копер МК-30.
Кристаллизация – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. В расплавленном металле нет дальнего порядка: расстояния между атомами не являются постоянными. В процессе кристаллизации устанавливается дальний порядок: атомы располагаются на определенных расстояниях по каждому пространственному направлению, образуя кристаллическую решетку. Такое упорядоченное расположение возникает из-за равновесия сил притяжения и отталкивания между атомами и соответствует минимуму энергии взаимодействия атомов в металле.
Процесс кристаллизации может идти самопроизвольно, но может вызываться и искусственными причинами. Всё это вызвано изменением свободной энергии:
где F– свободная энергия, U– полная внутренняя, T – температура, S – энтропия.
Рис. . Зависимости свободной энергии металла от температуры
Самопроизвольно идут только такие термодинамические процессы, которые приводят к уменьшению свободной энергии системы. С повышением температуры металла его свободная энергия как в жидком, так и в твердом состоянии снижается, но с разной скоростью: свободная энергия жидкого металла снижается быстрее (рис. 1). Поэтому кривые зависимости свободной энергии от температуры пересекаются при какой-то температуре . При любой температуре ниже меньшим уровнем свободной энергии обладает твёрдый металл, поэтому, если охладить расплав до температуры , начнется кристаллизация.
Температура , при которой свободная энергия металла в твердом и жидком состоянии одинакова, есть теоретическая температура кристаллизации. При ней свободные энергии твёрдой и жидкой фаз одинаковы:
Для того, чтобы процесс кристаллизации осуществился необходимо переохлаждение относительно теоретической температурой кристаллизации. В таком случае образование кристаллов дает выигрыш в свободной энергии, что и является движущей силой процесса. Реальная температура кристаллизации всегда меньше теоретической. Разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения :
. (3)
Рис. . Кривая охлаждения расплавленного металла
Измеряя температуру металла в процессе кристаллизации, можно получить кривую охлаждения, график в координатах «температура – время» (рис. 2). При этом свободная энергия в жидкой фазе больше, чем в твёрдой, что, соответственно, создаёт выделение энергии (рис. 1):
Существует и обратный кристаллизации процесс – плавление. Он происходит, наоборот, при перегреве выше равновесной температуры. При этом свободная энергия в твёрдом состоянии больше свободной энергии в жидком (рис. 1):
Нагревание расплава выше равновесной температуры называют перегревом. Разность между теоретической и реальной температурой плавления называется степенью перегрева:
Образование в жидкости центров кристаллизации (зародышей, мельчайших твердых частиц);
Рост кристаллов из образовавшихся зародышей.
Рис. . Кристаллизация при медленном охлаждении:
а – начало процесса; б – окончание процесса
Если же кристаллизация происходит при больших скоростях охлаждения и больших степенях переохлаждения ( и ), то в жидкости образуется большое количество центров кристаллизации (с.з.2) и из них, соответственно, вырастает большое число кристаллов. Металл при этом получается мелкозернистый (рис. 5).
Рис. 5. Кристаллизация при быстром охлаждении:
а – начало процесса; б – окончание процесса
Столкновение растущих кристаллов приводит к потере ими правильной огранки. Такие потерявшие правильную форму кристаллы называются зернами. При очень маленькой скорости охлаждения может возникнуть единственный центр кристаллизации, из которого вырастет монокристалл.
При очень больших скоростях охлаждения достигаются такие большие степени переохлаждения, что тепловое движение атомов в металле замедляется, они не успевают образовать дальний порядок, выстроиться в кристаллическую решетку. Металл становится твердым, но не имеет кристаллического строения. Это аморфный металл или металлическое стекло.
Рис. 6. Малоугловые границы субзёрен
Каждое из крупных зёрен состоит из более мелких – блоков (или субзёрен), разориентированных на небольшие углы (около 5-ти градусов). Границу между ними называют малоугловой (рис. 6). Такие границы могут присутствовать как между зернами поликристалла, так и в монокристаллах. Угол разориентировки связан с модулем вектора Бюргерса краевых дислокаций и расстоянием Dмежду ними соотношением:
Так как структура материала определяет его свойства, закономерности кристаллизации могут быть использованы для создания необходимых свойств того или иного металла.
Так, мелкозернистый металл обладает более высоким сопротивлением деформации и большей вязкостью. Дело в том, что границы зерен являются барьером для развития деформации и для роста трещины. В металле с мелким зерном суммарная поверхность зерен в единице объема больше, чем в крупнозернистом. Поэтому и сопротивление мелкозернистого металла деформированию и разрушению больше.
Если необходимую скорость кристаллизации обеспечить не удаётся, то для измельчения зерна в жидкий металл вводят небольшие добавки примесей в виде мелких нерастворимых в расплаве частиц. Такой процесс называется модифицированием, а вводимые добавки – модификаторами.
Стоит отметить, что при получении отливок затвердевание металла в форме происходит с разными скоростями в различных её частях. Скорость охлаждения уменьшается от стенки формы к центральной её части, при этом меняется и направление теплоотвода в местах роста кристаллов. В результате полученный слиток имеет разное строение по сечению, а значит, и разные свойства (рис. 7).
Рис. 7. Характерные зоны слитка:
1 – корка (зона мелких по-разному ориентированных кристаллов); 2 – зона столбчатых кристаллов, растущих в направлении, обратном направлению теплоотвода; 3 – зона крупных, произвольно ориентированных кристаллов; 4 – усадочная раковина в верхней части слитка; 5 – пористость
Поэтому в таком неоднородном свежеотлитом металле будет большое количество дислокаций. Для того, чтобы их количество уменьшить необходимо сделать отжиг слитка, таким образом выровняв размер зёрен и упорядочив структуру.
3.Ход выполнения
При выполнения лабораторной работы были рассмотрены изломы цинка и чугуна. Главное их отличие заключается в зонах кристаллизации. У цинка зона столбчатых кристаллов занимает практически весь объём слитка, за исключением корки по краям, отсутствует зона равноосных кристаллов. У чугуна же присутствует как зона столбчатых кристаллов, так и зона равноосных кристаллов. Такие различия можно объяснить разными объёмами слитков, а также разной формой отливки.
Затем проследили за процессом кристаллизации солей (1), (2), (3) в их растворах (рис. 8).
У соли (1) при окончательной кристаллизации образовались вытянутые кристаллы, кристаллы нитевидной формы; у соли (2) образовались кристаллы ромбической формы; у соли (3) образовались кристаллы в форме параллелепипедов. Различия в кристаллических решётках каждой из представленных солей объясняют разную форму образовавшихся кристаллов. Несмотря на это, можно выявить общую черту процесса их образования – большинство центров кристаллизации появилось по краям капли, соответственно, большинство образовавшихся кристаллов можно было наблюдать там же. Это можно объяснить более быстрым отводом тепла с краёв капли, чем с её центральной части.
В ходе лабораторной работы были исследованы на ударную вязкость при помощи маятникового копёра две заготовки силумина с большим (рис. 9, а) и с малым количеством зёрен (рис. 9, б), охлаждённых в металлической и керамической форме (песке) соответственно. Далее были произведены расчёты ударной вязкости по формуле:
Результаты измерений можно видеть в таблице 1.
Результаты исследования на ударную вязкость
Для силумина, остывшего в керамической форме в соответствии с данными из таблицы 1:
Рис. 9. Изломы силумина:
а) остывшего в керамической форме; б) остывшего в металлической форме
. (10)
Рис. 10. Зависимость Одинга-Бочвара
Как можно видеть из полученных данных, образец, охлаждённый в металлической форме, потребовал большей работы для разрыва. Такой эффект можно объяснить мелкозернистостью в заготовке и, следовательно, большим количеством дефектов, которые замедляют дислокации в сплаве. Таким образом в данном эксперименте проявляется зависимость Одинга-Бочвара (рис. 10), где образец, полученный из керамической формы по характеристикам можно поместить ближе к фрагменту графика, обозначенному цифрой 3 справа, а другой образец правее, ближе к фрагменту, обозначенному цифрой 4 (упрочнение металла, путём увеличения дефектов).
Рис. 11. Изменение структуры мелкозернистого металла при рекристаллизации
Для того чтобы от мелкозернистой структуры перейти к крупнозернистой необходимо произвести рекристаллизацию металла (рис. 11). Под рекристаллизацией понимают полную или частичную замену зерен новыми. Новые зерна, зарождающиеся при рекристаллизации, отличаются меньшей плотностью дефектов. Таким образом из мелких зерен получают крупные, то есть двигаются по пути разупрочнения от фрагмента 4 к фрагменту 3 (рис.10).
4.Вывод
Что является движущей силой процесса кристаллизации?
Каков механизм кристаллизации металла?
1) Образование в жидкости центров кристаллизации (зародышей, мельчайших твердых частиц).
Металл или сплав при затвердевании получается крупнозернистым если
Мелкозернистую структуру металлов и сплавов при затвердевании можно сформировать несколькими принципиально различными способами: повышением скорости зарождения центров кристаллизации путем изменения температурных условий затвердевания; легированием расплава и введением в него элементов-модификаторов; воздействием на топологию поверхности раздела жидкой и твердой фаз, определяющей форму и распределение растущих кристаллов.
Говоря о степени измельчения структуры, необходимо указывать тип (состав) сплава, форму или размер слитка. В чистых металлах получить мелкое зерно намного труднее, чем в сплавах, и, напротив, в сложных, многокомпонентных системах почти невозможно получить крупнозернистую структуру. Важное значение имеют также форма и размер слитков: большие объемы расплавленного металла остывают медленно и скорость их охлаждения повысить трудно; с другой стороны, возникают определенные трудности при исследовании свойств пленочных образцов, получающихся при капельном охлаждении расплавленного металла.
На определенные свойства сплавов величина и распределение зерен в структуре слитков оказывают непосредственное влияние, в то время как ряд других свойств определяется действием вторичных эффектов измельчения зерен до заданной величины. К сожалению, до сих пор основное внимание исследователей направлено на анализ структуры, образующейся при кристаллизации слитка; значительно меньше внимания уделено ее связи со свойствами сплава. Именно этим объясняется отсутствие среди исследователей единого мнения о необходимости и полезности измельчения зерна металлов и сплавов.
Хотя структуру сплава можно значительно изменить в процессе термомеханических обработок, тем не менее исходная (литая) структура сохраняет важное значение, во-первых, из-за ее влияния на обрабатываемость (деформируемость) сплава в твердом состоянии и, во-вторых, из-за сильного влияния на свойства сплавов микро- и макроликваций слитков.
В реальных условиях степень микроликвации намного выше степени ликвации, возникающей при затвердевании слитков в равновесных условиях. При кристаллизации границы зерен затвердевают в последнюю очередь, выполняя тем самым роль ловушек для «вредных» компонентов сплава. Поэтому мы считаем, что границы зерен являются наиболее ликвационными областями слитка. Даже в относительно чистых материалах состав жидкой фазы в междендритных каналах легко достигает концентраций, соответствующих двухфазной структуре.
He все из рассматриваемых ниже способов измельчения зерна в слитках способствуют получению действительно сверхмелкозернистой структуры. Мы исходили из необходимости дать возможно более полный обзор методов измельчения зерна при кристаллизации металлов и сплавов.
Необходимо отметить, что в высоколегированных сплавах, например в эвтектических, величина зерна играет менее важную роль, чем межпластинчатое расстояние или любой другой параметр, характеризующий распределение фаз в структуре сплава.
После изложения элементов теории кристаллизации в статье рассмотрены методы получения мелкозернистой структуры металлов и сплавов при затвердевании. Все эти методы основаны на трех принципах: 1) контроле температурных условий кристаллизации; 2) легировании и введении в расплав элементов-модификаторов; 3) воздействии внешних силовых полей на кристаллизующуюся систему.
Любые современные строения, инсталляции, малые архитектурные формы в большинстве основаны на металлоконструкциях. Это не всегда относится к беседкам, МАФам и другим.
Благодаря инновационным технологиям появилась возможность резать и обрабатывать металл с высокой точностью и намного проще, быстрее.
Металлические изделия и крепеж должны отличаться высокой прочностью, устойчивостью. Ведь многие из них постоянно контактируют с последствиями проливных дождей, перепадов.
Контейнерные перевозки считаются одним из недорогих видов транспортирования. Но сегодня контейнера используются не только для транспортировки грузов.
На рынке металла никогда не было отмечено падение спроса. Металлопрокат, имея огромный ассортимент, всегда остается востребованным материалом. Там где спрос, там.
Часто люди, которые только начинают свой бизнес, связанный с приемкой металла, могут отмечать, что цены на металлолом не стабильны. Это действительно так, и странного в.
Современная металлургическая промышленность производит огромное количество проката. Наиболее востребованный - лист нержавеющий купить, который выгоднее всего на сайте.
Зависимость от альтернативной энергетики ощущается человеком сильней с каждым днем. Для начала скажем об энергетике в общем. Она охватывает выработку, передачу, сбыт.
Рассматривая кристаллическую структуру отливки невооруженным глазом, т. е. макроструктуру, часто можно обнаружить, что она состоит из трех зон, отличающихся размером и формой кристаллов (рис. 22) Поверхностные слои отливки сложены из мелких кристаллов, имеющих примерно одинаковые размеры (1—2 мм) по всем направлениям. Поэтому такие кристаллы называют равноосными. Толщина поверхностного слоя составляет несколько миллиметров Если толщина отливки невелика, то поверхностные зоны мелких равноосных кристаллов, возникшие у противоположных сторон, сливаются и, таким образом, все сечение отливки оказывается занятым равноосными кристаллами малого размера.
Под поверхностной зоной мелких кристаллов обнаруживаются крупные кристаллы, вытянутые в направлении отвода тепла. Их принято называть столбчатыми. Ширина этих кристаллов увеличивается по направлению к центру сечения отливки. Длина столбчатых кристаллов может доходить до нескольких сантиметров. В некоторых случаях столбчатые кристаллы, выросшие с двух противоположных сторон сечения отливки, доходят до центра, и тогда все сечение отливки, за исключением поверхностных зон, оказывается занятым столбчатыми кристаллами. Такое явление называют транскристаллизацией.
Средняя часть сечения отливки занята крупными кристаллами с одинаковыми размерами по разным направлениям. Иногда центральная зона крупных равноосных кристаллов распространяется на все сечение отливки.
Образование поверхностной зоны мелких равноосных кристаллов связано с переохлаждением слоя расплава, прилегающего к поверхности формы. Переохлаждение вызывает массовое зарождение и одновременный рост кристаллов во всем слое. Так как каждый кристалл со всех сторон окружен переохлажденным расплавом, он растет во все стороны с примерно одинаковыми скоростями. Поэтому кристаллы принимают равноосную форму. После того, как в поверхностном слое отливки выросло множество мелких беспорядочно ориентированных кристаллов. переохлаждение в этом слое прекращается. В дальнейшем очень небольшое переохлаждение наблюдается лишь в тонких слоях расплава, непосредственно граничащих с растущими кристаллами.
Из беспорядочно ориентированных кристаллов поверхностного, слоя сохраняются лишь те, у которых наиболее быстрорастущие направления совпадают с направлением отвода тепла. Такие кристаллы растут беспрепятственно в сторону расплава к центру отливки. Кристаллы, у которых направление быстрого роста не совпадает с нормалью к поверхности охлаждения, вскоре наталкиваются на своих соседей, и их рост прекращается. Каждый благоприятно ориентированный кристалл оказывается в окружении равноценных соседей; все они растут перпендикулярно поверхности охлаждения и приобретают вытянутую форму. Таким образом возникает зона столбчатых кристаллов.
За зоной столбчатых кристаллов начинается центральная зона с крупными зернами примерно равного размера. Прекращение роста столбчатых кристаллов объясняется, по-видимому, многими причинами. Наиболее важным является действие растворимых и нерастворимых примесей. Как было показано ранее, при неравновесной кристаллизации в прилежащем к кристаллу слое жидкости появляется повышенное содержание примесей и компонентов, понижающих точку плавлении сплава. Толщина этого обогащенного слоя тем больше, чем медленнее растет кристалл.
В этом слое расплаве создается определенное переохлаждение обусловливающее рост кристалла. При интенсивном отводе тепла переохлаждение на фронте кристаллизации столь велико, что обеспечивает большую линейную скорость роста кристаллов. Пока обогащенный слой узок, градиент концентрации в нем велик. Это надежно обеспечивает подвод к кристаллу атомов тугоплавких компонентов и отвод от кристалла атомов легкоплавких компонентов. При замедлении охлаждения может наступить такой момент, когда переохлаждение распространится за обогащенный слой, где жидкость более тугоплавка. Следствием этого может быть появление зародыша и рост нового кристалла за слоем легкоплавкой жидкости, окружающей старый кристалл. Это явление называется концентрационным (конституционным) или диффузионным переохлаждением.
Взвешенные частицы нерастворимых примесей способны также вызвать в определенный момент прекращение роста столбчатых кристаллов. Пока кристаллы растут с большой скоростью, все встречающиеся на пути инородные частицы врастают в них, не сдвигаясь.
С определенного момента, когда скорость роста уменьшилась, начинается перемещение взвешенных частиц. Прослойка из накопленных частиц примесей делается столь значительной, что мешает расплаву подтекать к поверхности кристалла, и рост его еще больше замедляется. Распространяющееся в жидкость переохлаждение вызывает появление нового кристалла.
Из описанного механизма влияния растворимых и нерастворимых примесей на прекращение развития столбчатых кристаллов и вообще на макроструктуру отливок следует, что чем свободнее металл от любых примесей, тем крупнее должны быть зерна в литой структуре и больше вероятность появления столбчатой структуры. Это подтверждается полностью многочисленными наблюдениями
В ходе затвердевания отливок возможно также оседание отдельных кристаллов в жидкой части. Эти кристаллы либо зарождаются там самостоятельно, либо заносятся потоками расплава. В результате этого в структуре может появиться особая кристаллическая зона, состоящая из небольших равноосных кристаллов в нижней части отливки между зоной столбчатых и крупных равноосных кристаллов. Эти оседающие кристаллы называют «дождепадающими».
Кристаллическая структура отливки существенным образом зависит от типа сплава и условий охлаждения. У отливок из чистых металлов и сплавов, не имеющих интервала кристаллизации, обычно наблюдается столбчатая структура независимо от условий охлаждения. Отливки из сплавов с интервалом кристаллизации, как правило, имеют структуру, в которой наблюдаются все три кристаллические зоны. Возрастание интервала кристаллизации в близких по составу сплавах способствует увеличению в структуре отливок равноосной центральной зоны и сокращению зоны столбчатых кристаллов. При узком интервале кристаллизации сплава более вероятна столбчатая структура.
Условия охлаждения решающим образом влияют на макроструктуру отливок. При большой скорости охлаждения образуется отливка с четко выраженной зоной столбчатых кристаллов, занимающих иногда все сечение. При этом сплав может иметь значительные температурный и концентрационный интервалы кристаллизации
Структура отливки существенно меняется при движении расплава относительно растущих кристаллов. Если движение расплава вызывает размывание слоя легкоплавкой жидкости вокруг растущих кристаллов, то происходит укрупнение зерна и увеличение зоны столбчатых кристаллов. При направленном движении жидкости столбчатые кристаллы начинают развиваться навстречу потоку и поэтому принимают наклонный или искривленный вид в макроструктуре. Если же скорость движения велика и вызывает разрушение кристаллов, то происходит общее измельчение макроструктуры отливки, столбчатые кристаллы превращаются в мелкие равноосные. Измельчение макрозерна в этом случае объясняется затравочным действием обломков кристаллов.
Микроструктура отливки изменяется совершенно закономерно в полном соответствии с имевшейся в данной точке скоростью охлаждения в период затвердения. Выше было отмечено, что увеличение скорости охлаждения отражается на виде дендритов их оси становятся более тонкими, расстояние между ними уменьшается, выделения фаз в эвтектике делаются более мелкими. Таким образом, микроструктура литого металла тем мельче, чем выше была скорость охлаждения в данном участке отливки при затвердевании.
Важно иметь в виду, что нет прямой связи между макроструктурой и микроструктурой отливок Нередко отливка имеет грубую макроструктуру, размеры зерен, видимых простым глазом, составляют десятки миллиметров. Однако микроструктура металла, т. е. внутреннее строение макрозерен, различимое при некотором увеличении, оказывается очень мелким, оси дендритов имеют небольшую толщину, дендритная ячейка мелкая, включения других фаз, располагающиеся между осями дендритов по границам дендритных ячеек, очень мелкие и распределены равномерно. Такая картина наблюдается, в частности, в слитках непрерывного литья. Возможны случаи, когда при малом размере макрозерен их внутреннее строение грубое: оси дендритов толстые и короткие, включения фаз по границам дендритных ячеек, как и сами ячейки, имеют большие размеры. Такое сочетание макро-и микроструктуры встречается в отливках из алюминиевых сплабов, модифицированных титаном и бором в случае замедленного охлаждения. Такая же картина отмечается при измельчении макрозерна литьем с очень низкой температуры, если последующее охлаждение было замедленным. Наблюдаются и такие случаи, когда при тонкой микроструктуре отливка имеет и мелкую макроструктуру.
Структура отливки влияет на свойства литого металла. Наиболее желательна мелкая микроструктура, при которой обеспечивается наибольшая равномерность распределения легирующих компонентов и фазовых составляющих. Она достигается при повышенной скорости охлаждения отливки. Однако повышенные скорости охлаждения усиливают неравновесность процесса кристаллизации, что может привести к появлению в структуре по вышенного количества упрочняющих фаз или к образованию новых фазовых составляющих. В итоге может произойти существенное снижение пластичности металла, которую приходится повышать гомогенизирующими отжигами.
Крупнозернистая, мелкозернистая и столбчатая макроструктуры имеют свои отрицательные и положительные стороны. Наиболее высокие механические свойства и отсутствие пористости отмечаются в мелкокристаллической поверхностной зоне с равноосными зернами. Структура, сложенная из столбчатых кристаллов, также отличается отсутствием пористости. Однако у столбчатой структуры есть особенность, состоящая в заметной анизотропии механических свойств. Значения прочности и пластичности вдоль столбчатых кристаллов могут на 30—50 % отличаться от соответствующих значений в поперечном направлении. Это объясняется тем, что столбчатые кристаллы вытянуты по определенным кристаллографическим направлениям. Подобное совпадение ориентировки большего числа зерен в литом металле называется текстурой кристаллизации. Это явление особенно нежелательно в слитках, подвергаемых пластическому деформированию, так как может вызвать неожиданное их разрушение в ходе обработки давлением, хотя средний запас пластичности у металла более чем достаточен. У фасонных отливок столбчатая структура благодаря отсутствию усадочной пористости оказывается более приемлемой, чем обычная равноосная. Однако в зоне столбчатых кристалов могут возникнуть трещины по границам зерен, а также на стыке зерен, выросших от противоположных сторон. При механических испытаниях может обнаружиться отклонение от стандартов из-за отмеченной выше анизотропии свойств
Структура, состоящая из крупных равноосных зерен, часто бывает поражена усадочной пористостью, и поэтому отливки с такой структурой имеют наиболее низкие показатели прочности, пластичности и плотности. Однако именно такую структуру обычно имеют фасонные отливки, получаемые в песчаных формах.
У слитков, подлежащих обработке давлением путем пластического деформирования, крупнозернистая структура нежелательна. Вследствие анизотропии свойств соседние зерна с разной ориентировкой относительно действующих напряжений будут деформироваться различно. Одни зерна могут деформироваться сразу пластически, а другие — лишь упруго. Если абсолютное значение пластической деформации первых зерен велико, она может превысить допустимую упругую деформацию соседних неблагоприятно ориентированных зерен. В этом случае последние начнут разрушаться. Чем крупнее зерна, тем больше абсолютное значение пластических деформаций благоприятно ориентированных зерен и тем больше вероятность разрушения литой заготовки на начальных стадиях деформирования. Именно этой неравномерностью пластической деформации соседних зерен объясняется плохая технологичность при обработке давлением крупнозернистого металла.
Читайте также: