Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования

На металлургических предприятиях жидкий металл обычно заливают в изложницы, вмещающие десятки – сотни тонн расплава. Процесс кристаллизации, как впервые установил Д.К. Чернов, начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации, в качестве которых часто выступают мельчайшие частицы тугоплавких соединений.

Пока образовавшиеся кристаллы могут расти свободно, они имеют правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается; дальнейший рост продолжается только в тех направлениях, где остался жидкий расплав. Именно это является причиной образования кристаллитов – зерен неправильной геометрической формы.

В сплавах, образующих твердые растворы, внутри крупных кристаллитов, появляющихся при замедленном охлаждении, зачастую можно наблюдать неоднородную по химическому составу, так называемую, дендритную (древовидную) структуру, вызванную наличием осей кристаллизации первого, второго и последующих порядков – рис. 15.1.

Рис. 15.1. Дендритная микроструктура сплава медь–никель

Внутри закристаллизовавшегося слитка можно выделить 4 зоны – рис. 15.2. Зону с усадочной раковиной отрезают автогеном от слитка и направляют на повторную переплавку, т.к. в ней концентрируются газовые пузыри, неметаллические включения, шлаки и т. п.

Рис. 15.2. Строение металлического слитка: 1 – усадочная раковина, образующаяся вверху слитка в результате сокращения линейных размеров металла при охлаждении; 2 – мелкие равноосные кристаллы, образующиеся в результате быстрого охлаждения металла, на холодной стенке изложницы; 3 – крупные вытянутые кристаллы, образующиеся в направлении отвода тепла, т.е. перпендикулярно стенкам изложницы; 4 – крупные равноосные кристаллы, образующиеся при замедлении скорости охлаждения внутри слитка

После охлаждения слиток имеет неоднородное по химическому составу крупнокристаллическое строение и довольно низкие и неоднородные по объему механические свойства. Установлено, что чем крупнее зерно, тем ниже механические свойства*. Поэтому металлурги борются за снижение величины зерна путем введения в расплав специальных присадок, служащих центрами кристаллизации; регулированием скорости охлаждения слитка; а также проведением интенсивной пластической деформации (ковка, прокатка) и рекристаллизации.