Дефекты, обусловленные кристаллизацией

Выше рассмотрено разнообразие видов кристаллизации и типы образующихся структур двухкомпонентных сплавов в условиях, отличающихся от равновесных. Растут столбчатые кристаллы или дендриты; проявляется дендритная ликвация - неоднородность химического состава образующихся кристаллов по сечению; формируются эвтектические колонии. В реальном металлическом слитке вследствие изменения переохлаждения в процессе кристаллизации, образуются зоны с различным строением кристаллов. Вследствие разницы в объемах расплава и образующихся кристаллов образуются дефекты усадочного происхождения: усадочная рыхлость, усадочная раковина. При остывании реального металлического слитка из-за разницы в скоростях охлаждения по сечению формируется дополнительная неравновесность в виде значительных внутренних напряжений.

Гетерогенное образование зародышей кристаллов, реализуемое в реальных условиях кристаллизации в центральной части слитка, осуществляется на частичках примесей. Эти примеси при анализе двухкомпонентных сплавов прямо учитываться не могут, однако в реальных технических материалах они присутствуют. При кристаллизации твердых растворов, из которых состоит основа сплава, частицы примесей «выталкиваются» в оставшийся расплав. Тугоплавкие частицы становятся центрами образования равноосных кристаллов в центре слитка; легкоплавкие – кристаллизуются на стыке границ дендритов в последнюю очередь. Таким образом, формируются неметаллические включения, которые можно выявить при анализе микроструктуры.

Растворимость газов в расплавах металлов значительно уменьшается при понижении температуры. Она, кроме того, зависит от парциального давления p_i соответствующего газа в расплаве. Зависимость количества растворенного газа с_i в расплаве от температуры и парциального давления p_i определяется законом Зиверта:

с_i = K (T) p_i. …………(9.8)

Из-за уменьшения параметра К при снижении температуры наступает перенасыщение содержания газа. Особенно сильный спад обнаруживает растворимость газов в точке затвердевания сплавов (Рис.9.17). Преимущественно в расплаве растворены содержащиеся в воздухе H₂, N₂ и O_2, а также CO₂. Кроме того, в расплавах могут быть растворены примеси, которые при температуре плавления сплава являются газообразными.

Газовые пузыри, образующиеся при кристаллизации вследствие освобождающихся газов, чаще всего выходят на поверхность расплава. Однако, частично они остаются между ветвями растущих дендритов, что приводит к пористости слитка. Здесь же сосредоточена основная часть легкоплавких неметаллических включений, образующихся на последней стадии кристаллизации расплава. Чистые металлы более подвержены образованию пузырей, чем сплавы. Это связано с тем, что сплавы затвердевают не при постоянной температуре, а в интервале температур (Рис.9.17), вследствие чего основная часть газов успевает удалиться в процессе кристаллизации. Кроме того, сплавы в жидком состоянии обладают меньшей вязкостью, чем расплавы чистых металлов. Это также способствуют тому, что газовые пузыри в сплавах легче покидают расплавленный металл. Таким образом, литейные свойства чистых металлов хуже, чем у сплавов.

Металлографически (при макротравлении) в сплавах с широким температурным интервалом кристаллизации дендритная ликвация, а также участки, кристаллизующиеся в последнюю очередь, хорошо выявляются в виде зон повышенной травимости. Эти зоны видны даже в деформированном и перекристаллизованном металле. В таких зонах могут выявляться трещины кристаллизационного происхождения, которые получили название горячих трещин. Механизм образования и морфология горячих трещин будет рассмотрен в разделе, посвященном сварке плавлением.

Наличие дефектов, обусловленных кристаллизацией реальных материалов, сказывается на свойствах заготовок при дальнейших технологических переделах, а также на свойствах изделий в процессе эксплуатации, ухудшая их технические характеристики.

Порядок выполнения работы

Для наблюдения процесса кристаллизации следует предварительно подготовить стереомикроскоп МБС-9 и препараты.

Для этого на предметное стекло необходимо нанести каплю воды, при этом отражательное зеркало микроскопа установить так, чтобы свет падал на объектив микроскопа. Изображение капли воды должно быть четким. Следует выставить увеличение микроскопа порядка 10–12 раз.

Опыт 1

Стеклянной палочкой нанести на предметное стекло каплю раствора азотнокислого свинца, подогретого до 50-60°С. Для ускорения процесса кристаллизации каплю следует делать плоской и тонкой.

Наблюдая процесс кристаллизации, зарисовать структуру капли после затвердевания.

Процесс кристаллизации начинается у краев капли с образования мелких зерен, затем перпендикулярно оси растут крупные столбчатые зерна. В центральной зоне образуются беспорядочно ориентированные крупные кристаллы, имеющие формy дендритов.

Данный опыт имитирует строение стального слитка по сечению.

Опыт 2

Подогреть на электроплитке раствор медного купороса до 60°С, поставить на асбестовую подставку, нанести каплю раствора на предметное стекло и, наблюдая в микроскоп, зарисовать процесс кристаллизации.

Повторить то же после охлаждения раствора до 50°C и 40°С. Обратить внимание на то, что количество растущих кристаллов и их размер в трех каплях различны. Данный опыт позволяет изучить влияние степени переохлаждения на процесс затвердевания.

Каждой температуре присвоить определенное значение степени переохлаждения (60°С – ∆Т₁, 50°C – ∆Т₂, 40°С – ∆Т₃). Считать аналогичными величины степени переохлаждения (∆Т) и степени пресыщения раствора.

По результатам исследований написать отчет по работе.

Содержание отчета

Отчет по работе должен включать:

– описание цели и методики проведения исследований;

– кривые зависимости числа зародышей и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения с пояснениями к ним;

– перечислить основные факторы, влияющие на размер зерна и на зависимость механических свойств от размера зерна;

– привести описание особенностей структуры затвердевшей капли азотнокислого свинца по сечению (три зоны);

– объяснить различия в протекании процесса кристаллизации капель медного купороса для разных условий опыта; величины ∆Т₁, ∆Т₂, ∆Т₃ нанести на график зависимости числа зародышей и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения.

Контрольные вопросы

1. Расскажите, что такое кристаллизация.

2. С чего начинается процесс кристаллизации?

3. Какую температуру называют фактической температурой кристаллизации?

4. Что такое термическое переохлаждение?

5. Какие металлы более склонны к переохлаждению?

6. Что такое перенагревание?

7. Объясните, что собой представляют кристаллиты, или зерна.

8. Как влияют на процесс кристаллизации неметаллические включения и вводимые

оксиды?

9. Перечислите факторы, от которых зависит скорость процесса кристаллизации.

10. Можно ли регулировать размеры зерен изменением скорости охлаждения?

11. Как можно управлять процессом кристаллизации? Для чего необходимо управлять

процессом кристаллизации?

12. Что такое модифицирование и как оно влияет на характер кристаллизации

и свойства сплавов?

13. Что общего и в чем отличие процессов кристаллизации чистых металлов и сплавов?

14. Расскажите, что такое сплав и его компоненты?

15. Опишите виды сплавов по типу взаимодействия компонентов.

16. Что такое дендритная кристаллизация?

17. Чем отличается дендритная кристаллизация от дендритной ликвации?

18. Как устранить вредное влияние дендритной ликвации на свойства слитков?

Лабораторная работа № 11