Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Зарождение и рост кристаллов

Соответственно рассмотренным в разделе "физико-химические основы плавки стали" представлениям о жидком состоянии при небольшом перегреве сравнительно с температурой плавления структура жидкости близка к структуре кристаллов. Во время охлаждения при приближении к температуре кристаллизации в жидком металле протекают процессы, приводящие к увеличению продолжительности оседлой жизни частиц и большей стабильности квазикристаллов, из которых возникают зародыши новой фазы.

Возникновение и разрушение зародышей происходят непрерывно. Критерием того, образуется ли устойчивый зародыш, или он остается в метастабильном состоянии, является соотношение размеров самого крупного квазикристалла и критического зародыша. С увеличением степени переохлаждения уменьшается критический радиус зародыша.

Радиус атома железа равен 0,8-10^8 см, из чего следует, что даже при больших переохлаждениях критический зародыш будет состоять из сотен и тысяч атомов. Переохлаждения стали легче достигнуть в микрообъемах, в которых заведомо будут отсутствовать твердые включения, могущие быть центрами кристаллизации. М. П. Браун и Ю. Я. Скок на образцах железа массой 10 г, расплавленных в кварцевых тиглях, достигли переохлаждения на 290° С ниже температуры кристаллизации, а А. А. Духин в каплях диаметром 50—100 мкм достиг переохлаждения на 500—550° С.

В реальных слитках столь глубокое переохлаждение не достижимо. Необходимо иметь в виду, что переохлаждение, с одной стороны, увеличивает скорость и вероятность образования зародыша, с другой — уменьшает подвижность частиц в жидкости и замедляет образование кристалла. В присутствии в металле нерастворимых примесей, какими являются, например, неметаллические включения, центры кристаллизации возникают в первую очередь на этих примесях. В этом случае важную роль играет структурное соответствие примеси и кристаллизующегося металла. На легкоплавких металлах, например, обнаружено явление дезактивации нерастворимых примесей, структурно неоднородных с металлом при предварительном большом перегреве.

Растворимые в металле примеси способны изменять величину межфазной энергии. На уменьшении величины межфазной энергии, а следовательно, и снижении необходимой степени переохлаждения и одновременном уменьшении критического радиуса зародыша (в конечном счете уменьшении размера зерна в металле) основано действие модифицирующих добавок в стали. По данным В. Е. Неймарка, при оптимальной концентрации такие элементы, как Al, Ti,V, В и Са, действуют в углеродистой и легированной стали как модификаторы, измельчающие кристаллическую структуру. В то же время такие добавки, как Zr, Nb и Mg, оказывают незначительное влияние на структуру слитка стали.

Некоторые из отмеченных модифицирующих добавок одновременно являются сильными раскислителями, и введение их в сталь сопровождается образованием окисной дисперсной фазы, которая сама по себе интенсифицирует кристаллизацию.

Рост кристалла и образование дендритной структуры. При кристаллизации чистых веществ, когда остаются постоянными степень переохлаждения расплава и его состав, а на границе кристаллизации сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограниченной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться периодичность кристаллической решетки. В реальных же сплавах кристаллизация сопровождается появлением структурных несовершенств, и, что особенно характерно для сплавов на железной основе, образованием дендритов. Дендриты представляют собой непрерывную пространственную решетку, у которой от толстого ствола ответвляются ветви первого порядка, от них — второго, затем третьего и т. д. Все ветви имеют почти правильную кристаллографическую ориентацию.

Дендрит
Рис.1 Дендрит

Дендриты бывают разнообразных размеров. Чем менее стесненно они растут, тем большей величины они достигают. Масса знаменитого кристалла Чернова, найденного в усадочной раковине 100-т слитка, составляет 3,45 кг, а высота 39 см.
Образование дендритной структуры литой стали было выявлено впервые Д. К. Черновым, и он считал это доказательством ее кристаллического строения. Изучение кристаллической структуры серых чугунов дало Д. К. Чернову основание полагать, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах советских ученых. В предложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к блокированию грани кристалла и прекращению ее роста, вызывающему выбрасывания осей нового порядка.

Образование дендрита
Рис.2 Образование дендрита

При перемещении граней СВ и АВ со скоростями vc и vx через промежуток времени Т в положения СгО и АгО (рис.2 а) возрастает градиент концентрации примесей перед гранями АВ и СВ, в то время как в вершине кристалла по линии ВО градиент концентрации примесей ниже и имеет минимальное значение в направлении роста ребра О. При блокировании участков АгВг и СгВ2 мономолекулярным слоем примеси рост грани прекращается, кристалл

За к. 824 289 растет в виде иглы в направлении ВО (рис. 2, б). На грани образуются выступы и зубцы, некоторые из них начинают расти как основная игла (рис. 2, в).

При больших скоростях охлаждения, когда исключаются условия скопления примесей у растущих граней кристалла, дендритная структура кристаллов металла заменяется ячеистой, характеризующейся отсутствием осей второго порядка, а кристаллы имеют вид параллельных стволов, прилегающих друг к другу (рис. 3).

Ячеистая структура металла
Рис.3 Ячеистая структура металла

Ячеистая структура, например, наблюдается при охлаждении пластин кремнистой стали (1,5—2,0% Si) толщиной от 1 до 0,1 мм со скоростью 104—106°С/с. Средний диаметр ячейки в этом случае тем меньше, чем выше скорость охлаждения, и в наиболее быстрозатвердевающих пластинах он составляет 2—2,5 мкм.

В условиях кристаллизующихся слитков ячеистая структура практически не образуется, и для реального стального слитка стали характерна дендритная структура.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Разливка стали
Вернуться на главную: Черная металлургия