Зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристалла от степени переохлаждения (Зависимость Таммана)

Г. Тамман установил зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения (рис. 10). При AT = 0 процесс кристаллизации не идет, скорости образования зародышей и их роста равны нулю. При АТ = а число центров кристаллизации небольшое, а скорость их роста максимальна. В этом случае структура металла будет крупнозернистой. При АТ = b число центров — максимально, а скорость их роста мала. Структура металла - мелкозернистая. При больших степенях переохлаждения ДГ= г скорость кристаллизации и число центров равны нулю. Подвижность атомов уже недостаточна для того, чтобы осуществлялась их перестройка из хаотического расположения в жидкости в правильное в кристалле. Структура металла — аморфная. Для получения аморфных металлов (металлические стекла) нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду.

Такие скорости охлаждения достигаются при разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Другой вариант — прокатка тонкой струи расплава между двумя массивными медными валками, расплющивающими капли жидкого металла. При этом можно получить тонкую.тенту аморфного металла толщиной до 60 мкм и шириной до 200 мкм или проволоку диаметром до 0Д..20 мкм. При нагреве аморфный металл может реализовать свое стремление к кристаллизации и при достаточной подвижности атомов образуется кристаллическое строение.

Аморфный металл обладает рядом уникальных свойств из-за отсутствия границ зерен и дефектов кристаллического строения (например, дислокаций). Прочность их превосходит самые лучшие легированные стали (~3000 МПа). Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных металлов низка, но выше, чем у обычного стекла. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре. Другое важнейшее преимущество — их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) они вообще не корродируют. Аморфные сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) также ферромагнитны, электросопротивление их гораздо выше, чем кристаллических (обычно в 2...3 раза). Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее 24 легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, РЬ, Sn и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Mn, Сг к ним добавляют неметаллы или пол у металлические элементы С, Р, Si, В, As, S и др.

Аморфные сплавы, например, на основе железа — Fc80 FeeoPisC, Fes0Cr6Mo6B28; ла основе никеля - №82РШ, Ni80S20.

Перспективы практического использования аморфного состояния металлов выглядят очень внушительно еще и потому, что уже создана аморфизация тонких поверхностных слоев массивных изделий. При воздействии на поверхность изделия мощного лазерного или электронного луча удается в короткое время расплавить очень тонкий наружный слой, который после прекращения воздействия остывает с огромной скоростью за счет отвода тепла в толщу холодного металла. Таким образом, обычный кристаллический металл, вероятно, можно будет надежно защитить от износа и коррозии.

8. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА Кристаллы, образующиеся в процессе первичной кристаллизации, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, направления теплоотвода, а также от содержания примесей. Первичный древовидный кристалл называется дендритом. Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви, которые называются осями первого порядка (рис. 11). На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита.

При заливке жидкого металла в форму и последующей кристаллизации получается слиток, отдельные зоны которого отличаются микроструктурой. Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона — наружная мелкозернистая корка 1, состоящая из неориентированных мелких кристаллов — дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы (форма, куда заливают жидкий металл) в тонком прилегающем слое жидкого металла возникают большой градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого числа центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение. Вторая зона слитка — зона столбчатых кристаллов 2. После образования самой корки условия теплоотвода меняются, градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из-за небольшого числа центров кристаллизации начинают расти в направлении теплоотвода столбчатые кристаллы. С увеличением перегрева расплава в момент начала заливки происходит, как правило, расширение зоны столбчатых кристаллов. Третья зона слитка — зона крупных равноосных кристаллов 3. В центре слитка уже нет определенной направленности отвода тепла. В результате образуется крупная равноосная структура. Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый и форму металл в процессе кристаллизации уменьшается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами 4. Верхнюю часть слитка с усадочной раковиной отрезают. В слитках небольших размеров зона 3 может отсутствовать. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, называется транскристаллизацией. Слитки сплавов, особенно высоколегированных, имеют неоднородный химический состав. Неоднородность по химическому составу называется ликвацией. Ликвация может быть зональная (различная концентрация элементов по зонам сечения слитка), гравитационная (образуется в результате разницы в удельных весах твердой и жидкой фазы, а также при кристаллизации несмешивающихся жидких фаз), дендритная (более тугоплавкие и ч истые элементы образуют оси 1-го порядка, менее тугоплавкие 2-го и 3-го порядка, а самые легкоплавкие и содержащие примеси — заполняют межосиое пространство).

9..МОДИФИКАТОРЫ Добавки, специально вводимые в жидкий металл для получения мелкозернистой структуры, называются модификаторами, а технологическая операция — модифицированием. К модификаторам I рода относят такие, которые образуют в расплаве высокодисперсную взвесь. Частицы этой взвеси служат зародышами, вокруг которых образуются и растут кристаллы. Для металлических расплавов такими модификаторами могут быть тугоплавкие металлы или их соединения, частицы которых находятся во взвешенном состоянии в иредкристаялизационный период. К ним относятся, например, Ti, V, В, Al, Zr, Nb и их нитриды.В качестве модификаторов при модифицировании алюминиевых сплавов применяют Ti, V, Zr; стали — Al, V, Ti; чугуна - Mg, Zr. К модификаторам II рода относят элементы или их соединения, которые адсорбируются на гранях зарождающихся кристаллов и тормозят их рост. Адсорбция не происходит на всех гранях равномерно, в результате чего происходит задержка в развитии отдельных граней кристалла, что приводит к изменению его формы. Кроме того, замедление скорости роста кристалла сопровождается увеличением числа центров кристаллизации, что способствует измельчению зерна. Хорошими модификаторами стали являются Na, К, Rb, Ва, редкоземельные элементы (РЗМ). Алюминиевые сплавы (силумины) приобретают мелкозернистое строение и лучшие механические свойства (повышается пластичность) после обработки сплава в жидком состоянии фтористым натрием (NaF) или легкоплавким тройным модификатором 25 % NaF + 62,5 % NaCl + 12,5 % КС-1.

10.Теоретическая и практическая прочность металлов. Теоретическая прочность металлов, определяемая силами межатомной связи в кристаллической решетке, в сотни и тысячи раз превышает их техническую (реальную) прочность. Сопротивление отрыву для железа, по данным различных ав­торов, теоретическое — 12000... 100000 МПа, реальное — 300 МПа. Теоретическая прочность соответствует идеальной бездефектной кристаллической решетке металла. Возникающие в различных плоскостях и направлениях дислокации будут мешать друг другу перемещаться, что потребует приложения больших напряжений. Движение дислокаций могут тормозить различные препятствия: границы зерен в поликристаллах, границы блоков. Поэтому мелкозернистая сталь прочнее крупнозернистой. Широко известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной плотности дислокаций, такие как механический наклеп, термическая обработка, легирование (внедрение в решетку чужеродных атомов, создающих всякого рода несовершенства и искажение кристаллической решетки), создание структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение.

Твердостью называется свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела (индентора). Метод определения твердости имеет ряд преимуществ перед другими методами механических испытаний металла: простота техники и быстрота испытаний, простота формы и небольшие размеры образцов, возможность проводить испытание непосредственно на изделии без его разрушения. Им можно очень быстро и без разрушения оценить изменение свойств металла после различных видов термической, химико-термической обработки, сварки, пластической деформации.

Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими характеристиками (временное сопротивление, относительное удлинение, ударная вязкость, предел выносливости) существует количественная зависимость. Например, для стали сгв = 3,4 НВ (МПа); для меди, бронзы, латуни в отожженном состоянии <тв *= 5,5 НВ; для дуралю- мина <тв = 3,6 НВ; предел выносливости для углеродистой стали (1,28...1,56) НВ (МПа).

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ. При определении твердости методом Бринелля (ГОСТ 9012 59) в испытуемый образец или изделие вдавливается в течение определенного времени стальной закаленный шарик (рис. 20). После снятия нагрузки на поверхности образца остается сферический отпечаток. Величина отпечатка зависит от твердости метатла: чем тверже металл, тем она меньше. Число твердости по Брилеллю обозначается буквами НВ и определяется по формуле В зависимости от толщины испытываемого материала применяют шарики диаметром 10; 5 и 2,5 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от его свойств по формуле

Р = KD2, кгс, где К — постоянная для данного материала величина, равная 30, 10 или 2,5 кге/мм; для стали — 30, меди и ее сплавов — 10, очень мягких металлов Pb, Sb, баббиты — 2,5. Длительность приложения нагрузки должна быть достаточной для прохождения деформации и возрастать с уменьшением твердости испытуемого материала от 10 до 30 и 60 с. Для измерения твердости стали и чугуна до 3 мм применяют нагрузку 3000 кгс, шарик диаметром 10 мм и время выдержки под нагрузкой 10 с.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, для цветных металлов — более 200 НВ, а также тонких листов, лент. В этом случае пользуются методом Роквелла.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ. Сущность метода (ГОСТ 9013-59) заключается во вдавливании в поверхность материала индентора с алмазным или твердосплавным конусом с углом у вершины 120° или стальным закаленным шариком диаметром 1,5875 мм. Единица твердости по Роквеллу — безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Чем глубже внедрение индентора, тем меньше твердость.

НАКЛЕП. Под наклепом понимают упрочнение металла в результате пластической деформации. С увеличением степени пластической деформации увеличиваются: прочность, твердость, электросопро-тивление, коэрцитивная сила — и снижаются: пластичность, ударная вязкость, электро- и теплопроводность, магнитная проницаемость, коррозионная стойкость.

Упрочнение металла при наклепе объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов), а также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажением кристаллической решетки. В результате наклепа образуется волокнистая, направленно ориентированная структура, которая называется текстурой, обладающая значительной анизотропией (неоднородностью) свойств.

22.ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛИ. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз — феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода (0,38 % С —

5 % Fe3C; 0,7 % С - 10 % Fe3C; 2 % С - 30 % Fe3C). Твердые и хрупкие пластинки цементита повышают сопротивление движению дислокаций и тем самым повышают прочность, твердость, растет электросопротивление, коэрцитивная сила; понижаются пластичность, вязкость, теплопроводность, магнитная проницаемость. Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние, каждые 0,1 % С повышают температуру порога хладноломкости в среднем на 20 °С.

Содержание постоянных примесей обычно ограничивается следующими верхними пределами: 0,8 % Мп; 0,5 % Si; 0,05 % Р;0,05 % S. При большем их содержании сталь следует относить к легированным, куда эти элементы введены специально. Марганец. Его вводят в любую сталь для раскисления:

FeO + Мп -> МпО 1 Fe,

т. е. для устранения оксида железа. Марганец хорошо растворяется в феррите и цементите. Он повышает прочность стали, практически не снижая пластичности, резко уменьшает красноломкость, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы. Кремний. Вводят в сталь для раскисления:

2FeO + Si —> 2Fe + Si0₂.

Кремний полностью растворим в феррите; сильно повышает предел текучести стали, что снижает способность стали к пластической деформации. В сталях, предназначенных для холодной штамповки и вытяжки, содержание кремния должно быть минимальное. Фосфор. Железные руды, топливо, флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Фосфор хорошо растворяется в феррите и аустените, а при высоком содержании образует фосфид Fe3P (15,62 % Р). Растворяясь в феррите, фосфор искажает кристаллическую решетку и увеличивает пределы прочности и текучести стали, сильно уменьшает пластичность и вязкость; каждые 0,01 % Р повышают порог хладнолом-кости на 20...25 °С. Фосфор является вредной примесью в сталях. Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов — продукт горения топлива (SO2). Сера весьма ограниченно растворима в феррите, и практически любое ее количество образует с железом сернистое соединение — сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, имеющей температуру плавления 988 °С. Она располагается преимущественно по границам зерен. При нагреве стали до температуры прокатки, ковки (1000... 1200 °С) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зернами. В процессе деформации в этих местах образуются надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости. Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь идет образование сульфида марганца, имеющего температуру плавления 1620 °С: Сернистые соединения сильно снижают механические свойства стали при статическом и циклическом нагружении, особенно вязкость, пластичность, предел выносливости. Сера является вредной примесью в сталях. Сернистые соединения сильно снижают механические свойства стали при статическом и циклическом нагружении, особенно вязкость, пластичность, предел выносливости. Сера является вредной примесью в сталях. Азот, кислород. Содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Они могут в газообразном состоянии находиться в различных несплошностях, в а-твер- дом растворе, присутствовать в стали в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, Si02, А1203 и др.), нитридов (Fe2N, Fe4N, Mn^N и др.). Азот, кислород и их соединения резко повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость, понижают сопротивление хрупкому разрушению. Водород. С железом гидридов не образует. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но приводит к об-разованию флокенов — тонких трещин овальной или округлой формы. Кроме того, водород в металл может попасть в процессе нанесения гальванических покрытий, при сварке, при контакте с водородсодержащими средами. Для снижения водородной хрупкости (удаления водорода) металл нагревают до 150... 180 °С, желательно в вакууме при давлении порядка 10'2... 10-3 мм рт. ст.

Улучшение качества стали. Для удаления из жидкой стали растворенных в ней газов и неметаллических включений применяют ее вакуумную обработку. Для этого ковш с жидкой сталью помещают в герметически закрытую камеру, где создается разрежение 267...667 Па (2...5 мм рт. ст.). Бурно выделяющиеся газы увлекают с собой и выносят из металла неметаллические включения. В течение 10... 15 мин количество растворенных газов уменьшается в 3...5 раз, количество неметаллических включений — в 2...3 раза. Для защиты металла от окисления разливку стали ведут в инертной атмосфере, например аргона, под слоем синтетического шлака. Для получения сталей особо высокого качества применяют электрошлаковый переплав (ЭШП), плазменно-дуговой переплав, электронно-лучевой переплав, электродуговой вакуумный переплав. Металл хорошо очищается (рафинируется) от газов и неметаллических включений обработкой шлаком и направленной кристаллизацией жидкого расплава, созданием глубокого вакуума. 23. КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ. В зависимости от условий и степени раскисления различают:

1) спокойные — стали, полностью раскисленные ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они кристаллизуются спокойно без тазовыделения. Обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с другими сталями. К маркировке стали добавляются буквы <С11>.

2) кипящие — стали, наименее раскисленные ферромарганцем. В них содержится повышенное количество FeO и происходит их самораскисление углеродом: FeO + С -> Fe + COf.

Выделение СО в виде пузырьков создает эффект кипения стали. В процессе кристаллизации газовые пузырьки могут остаться в слитке. Это наиболее дешевые стали с низким качеством. К маркировке стали добавляют буквы <КП>.

3) полуспокойные — по качеству и стоимости занимают про-межуточное положение между спокойными и кипящими. Сталь раскисляется ферромарганцем и меньшим количеством ферросилиция (иногда и алюминия). К маркировке стали добавляются буквы <ПС>.

Эти стали менее очищены от вредных примесей, содержат больше серы и фосфора, чем конструкционные качественные стали, и являются наиболее дешевыми. Стали обыкновенного качества маркируют буквами <Ст>, что обозначает <сталь>, после которых ставят цифры от 0 до б — условный номер марки стали. Затем ставят степень раскисления. Эти стали менее очищены от вредных примесей, содержат больше серы и фосфора, чем конструкционные качественные стали, и являются наиболее дешевыми. Стали обыкновенного качества маркируют буквами <Ст>, что обозначает <сталь>, после которых ставят цифры от 0 до б — условный номер марки стали. Затем ставят степень раскисления. Группа А — поставляется с гарантируемыми механическими свойствами. Не рекомендуется применять для изготовления ответственных сварных конструкций и деталей, подвергаемых термической обработке. Из сталей этой группы изготовляют детали крепежа (бол-ты, гайки, шайбы и т. д.), неответственные элементы металлоконструкций (настилы, арматура, обшивки и т. д.). Марки сталей, например, Ст2пс, СтЗкп, Ст4сп. Чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность. Группа Б — поставляется с гарантируемым химическим со-ставом. Перед маркой стали ставится буква <Б>. Применяются для изготовления деталей, подвергаемых термической обработке (валы, оси, шестерни и др.). Для ответственных сварных конструкций — не рекомендуются, так как значения механических свойств в этой группе сталей не гарантируются. С увеличением порядкового номера стали содержание углерода в ней повышается. Группа В — поставляется с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом по нормам групп А и Б. Перед маркой стали ставится буква <В>. Применяется для изготовления сварных металлоконструкций (трубопроводы пара, воды, горючего газа; резервуары; газгольдеры; котельные аппараты; вспомогательное оборудование и др.), сортового и фасонного проката (швеллеры, уголки, тавры, двутавры и др.), деталей, подвергаемых термической обработке (валы, оси, втулки и др.).

Механические свойства сталей группы А

Марка стали	Временное сопро­тивление <тв, МПа	Предел текучести 0.р МПа	Относительное удлинение 55, %
СтО		—
CtIkit	3KL.400	—
Ст1пс, Ст1сп	320...420
Ст2кп	330...420
Ст2сп, Ст2пс	340...440
СтЗкп	370...470
СтЗпс, СтЗсп	380...490
Ст4кп	410...520
Ст4пс, Ст4сл	' 420...540
Ст5пс, Ст5сп	500...640
Стбпс, Стбсп	600...720

Химический состав некоторых сталей группы Б, %

Марка стали	С	Мп	Si	Р (не более)	S (не более)
БСтО	£0,23	—		0,07	0,06
БСт1кп	0,06.. Д12	0,25~Д50	<0,05	0,04	0,05
БСт1лс				0,05...0,17
БСт1сп				ОД 2.. Д 30
БСт2 kii	0Д..0Д5	0.25..Д50	<0,07	0Г04	0,05
БСт2 сп				0Д2..Д30
БСтЗкп	0,14.^0,22	0.30..Д60	^ 0,07	0,04	0,05
БСтЗсп				0Д2..Д30
БСт4 сл	0Д8..Д27	0,40..Д70	0Д2..Д30	0,4	0,05
БСт5 сп	0*28..Д37	0,50..Д80	0,15...0,35	0,4	0,05
БСтб пс	0.38..Д49	0,50...0,80	0,05...0Д7	0,04	0,05
БСтб сп				0Д5..Д35
						Таблгща 8
		Температура критических точек, °С
Марка стали	ACj	Лс3	Аг3	Ап
ВСт2 сп	735 ';
ВСтЗ сп	735!
ВСт4 сп	735 i
ВСт5 сп	730;
ВСтб сп

24.КАЧЕСТВЕННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ. К этим сталям предъявляются более высокие требования по химическому составу и структуре: ограничены пределы по содержанию углерода, меньше неметаллических включений, серы и фосфора (S < 0,04 %; Р < 0,035...0,04 %).

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента. В за-висимости от содержания марганца стали делят на две группы; с нормальным и с повышенным содержания марганца (до 1,2 %, в этом случае к маркировке стали добавляют букву <Г>).

Стали 1 группы: 08,10,15,20,25,30...85.

Стали II группы: 15Г, 20Г, 25Г, ЗОГ, 35Г... 70Г.

Механические свойства некоторых углеродистых качественных конструкционных сталей приведены в табл. Низкоуглеродистые стали 08 и 10 применяют без термической обработки для малонагруженных деталей, тонколистовую сталь ис-пользуют для холодной штамповки изделий. Сталь 10 применяется для изготовления элементов сварных конструкций, корпусов и труб-ных пучков теплообменных аппаратов, трубопроводов, змеевиков и других деталей, работающих от минус 40 до плюс 450 °С, к которым предъявляются требования высокой пластичности.