Строение металлического слитка.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними.

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердевать одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла.

Схема строения стального слитка:

а – расположение дендритов в наружных частях слитка;

б – строение слитка;

Стенки изложницы; 2 – мелкие равноосные кристаллы; 3 – древовидные кристаллы; 4 – равноосные неориентированные кристаллы больших размеров; 5 – усадочная рыхлость; 6 – усадочная раковина.

При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом. Поэтому скорость охлаждения металла снижается, и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

Диаграммы Fe-C, Al-Cu, Cu-Zn.

Основные свойства железа.

ЖЕЛЕЗО – переходный ферромагнитный металл. Порядковый номер – 26, атомная масса – 55,85, плотность – 7784 кг/м³, температура плавления - 1539°С.

Чистое железо (99,9917%) имеет твердость по Бринеллю 490 МПа (49НВ). Технически чистое железо (99,9 – 99,8%) имеет твердость около 900 МПа; σ_в = 300-350 МПа, δ = 35-40%.

Особенно важным свойством железа является его аллотропия, т. е. наличие нескольких кристаллических модификаций.

Низкотемпературное α-железо (ниже 910°С) и высокотемпературное δ-железо (выше 1392°С и до температуры плавления) имеют одинаковую объемно центрированную кубическую решетку (ОЦК). В интервале температур 910 - 1392°С стабильным является γ-железо с грнецентрированной кубической решеткой (ГЦК). Fe_β является немагнитной разновидностью Fe_α (при превращении α → β в точке Кюри А₂ пространственная решетка не меняется).

С металлами железо образует твердые растворы замещения, а с углеродом, азотом, бором, водородом – твердые внедрения. Наиболее широкое применение в различных отраслях промышленности получили железо-углеродистые сплавы – стали и чугуны.

УГЛЕРОД – порядковый номер 6, атомная масса 12,011, имеет плотность 2300 кг/м³, температуру возгонки около 3500°С, может находиться в двух аллотропических модификациях: графит т алмаз. Углерод в сплавах с железом может существовать в виде цементита (карбида железа Fe₃С) и в виде графита (свободный углерод). Свободный цементит (800 НВ) является неустойчивым химическим соединением. При высокой температуре и продолжительной выдержке цементит распадается с образованием графита и аустенита. Этот процесс имеет важное практическое значение для высокоуглеродистых сплавов – чугунов. В сталях, где концентрация углерода сравнительно невысока, цементит имеет большую устойчивость.