» » Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков
04.02.2017

Кристаллические зоны слитков отличаются друг от друга не только по структуре, но также и по своим физическим и механическим свойствам.
Определение плотности отдельных слоев медных слитков, отлитых в горизонтальную изложницу, показывает, что наибольшей плотностью обладает зона мелких столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, и наименьшей — зона кристаллов, росших сверху вниз. Понижение плотности вызывается, с одной стороны, наличием усадочных пор, с другой, — газовых пузырен. И те и другие обычно присутствуют вместе, так что в некоторых случаях нет возможности их отделить.
Если вначале в процессе кристаллизации образуются усадочные поры вследствие недостатка металла для заполнения всего объема, который занимал расплавленный металл, то в них имеет место вакуум. Если оставшийся жидкий металл содержит в (растворе газ, то он будет под влиянием вакуума выделяться внутрь усадочных пор; в несколько меньшей степени это может произойти и вследствие выделения газа из твердого раствора в затвердевшем металле. Наоборот, если полости порождаются вследствие выделения газа из раствора в жидком металле, то образуется пузырь, в котором вначале давление положительное, вследствие чего он приобретает округлую форму, так как газ раздвигает еще не вполне закристаллизовавшийся металл. При дальнейшем охлаждении слитка давление внутри пузыря понижается, так как газ при понижении температуры уменьшается в объеме в большей степени, чем твердый металл. При еще большем охлаждении давление внутри пузыря становится равным атмосферному, и дальше начинает создаваться вакуум. При охлаждении до комнатной температуры, внутри газовых пузырей, как правило, образуется довольно значительный вакуум. Таким образом, в конечном счете и усадочные поры представляют полости, имеющие вакуум, и, как правило, содержащие некоторое количество газа, и газовые пузыри при комнатной температуре представляют включения газа, находящегося под пониженным давлением. По форме усадочные поры представляются более остроугольными, а газовые пузыри более округлыми.
Несмотря на то, что между усадочными и газовыми порами имеется различие только по форме, а также отличие в количестве газа и в степени вакуума, все же по методическим соображениям правильнее разделять усадочные поры и газовые пузыри.
Если усадочные поры совершенно не содержат газа или каких-либо иных посторонних включений — шлака, окислов и т. п., то при пластической обработке в нагретом состоянии или чередующихся холодной деформации и отжиге поры завариваются. Газовые же пузыри под влиянием давления при деформации в нагретом состоянии сжимаются; газ из них частично переходит в твердый раствор, но при доведении в результате нагрева металла до пластичного состояния, под влиянием упругости газа стенки пузыря вновь раздвигаются и пузырь остается. Если поры представляют собой усадочные полости, в то же время содержащие газ, то при пластической деформации усадочная часть заварится, а газовая — восстановится вновь в уменьшенном объеме. По этой причине можно говорить о совместном присутствии усадочных и газовых пор и выражать их даже количественно, несмотря на то, что они могут занимать один и тот же объем; применительно к слиткам можно считать, что при достаточной пластической деформации усадочная пористость заварится, а газовая может несколько уменьшиться, но все же полностью не устранится. Если в слитке усадочные поры содержат газ, то под влиянием пластической деформации та их часть, которая соответствует собственно усадочной пористости, ликвидируется, а газовая часть останется, но уменьшится в объеме.
Путем определения плотности металла в литом состоянии, в наклепанном, в рекристаллизованном при самых низких температурах и отожженном при достаточно высоких температурах, можно отдельно получить с достаточной степенью точности количественные характеристики усадочной и газовой пористости слитка.
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков

Как видно на примере медных слитков, изменение плотности по высоте слитка происходит в полном соответствии со структурой (рис. 199). Чем крупнее кристаллы, тем больше они содержат усадочных пор, так как полости, образующиеся вследствие уменьшения объема при переходе из жидкого состояния в твердое в промежутках между ветвями дендритов, менее доступны для заполнения жидким металлом. Газовые пузырьки распределяются довольно равномерно, но и в этом случае можно отметить некоторую закономерность, а именно; все кристаллы, росшие сверху вниз, оказываются менее плотными, так как при кристаллизации в них запутывается газ, выделяющийся и из металла, находящегося здесь же, и из металла, расположенного ниже. Слой равноосной мелкокристаллической структуры также содержит значительное количество газа, потому что при отстаивании в процессе затвердевания кристалликов, взвешенных в расплавленном металле, через вязкий металл, имеющий кашеобразную консистенцию, пузырьки газа не в состоянии пробраться и уйти в атмосферу. Уже на нетравленом макрошлифе ясно обнаруживаются поры,представляющие преимущественно газовые включения (рис. 200, а), причем тот же шлиф после травления (рис. 200, б) подтверждает совпадение расположения пузырьков со слоем равноосной мелкокристаллической структуры.
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков

Так как мелкие кристаллики этого слоя беспорядочно падают друг на друга, то в промежутках между ними оказывается также большое количество усадочных пор, распределенных по слою более или менее равномерно.
Газовые пузырьки малых размеров могут запутываться также и между ветвями дендритов, растущих снизу вверх, но в значительно меньшем количестве, причем, чем мельче эти кристаллы, тем меньше газа в них может остаться. Количество усадочных пустот, как уже сказано, тоже уменьшается с уменьшением размера кристалла.
Суммарная пористость — газовая и усадочная — и обусловливает уменьшение плотности образцов. Нижний слой мелких столбчатых кристаллов имеет плотность наивысшую, следующий слой мелкокристаллической структуры оказывается менее плотным. Плотность следующего слоя крупнокристаллической структуры, состоящей из кристаллов, росших снизу вверх, снова возрастает, хотя вследствие наличия большого количества усадочных пустот и не достигает плотности первого слоя. Последние слои кристаллов и крупных и мелких, которые росли в направлении сверху вниз, обладают наименьшей плотностью, что отчетливо видно из кривой (см. рис. 199, б).
Механические свойства отдельных зон трехтонного горизонтального медного слитка, определенные на пятикратных образцах диаметром 6 мм, вырезанных в вертикальном направлении, оказались тоже неодинаковыми (рис. 201). В образцах, вырезанных из слоя крупностолбчатой структуры, оказывались всего два-три кристалла по сечению. Усадочные поры выходили на поверхность, поэтому механические свойства образцов, вырезанных из слоя крупностолбчатых кристаллов, получились пониженными.
Предел прочности оказался наибольшим для слоя равноосной мелкокристаллическая структуры, несмотря на наличие газовых пузырьков, потому что пористость в этом слое распределена достаточно равномерно. Следующими по величине предела прочности идут нижний и второй снизу слои мелких столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, затем — крупных столбчатых кристаллов, также росших снизу вверх. Наименьшим пределом прочности обладают образцы, вырезанные из слоев крупных столбчатых кристаллов, росших сверху вниз. Последний из рассмотренных слоев показал также и наименьшее удлинение. Следующими в порядке возрастания величины удлинения при растяжении идут: слой мелких равноосных кристаллов, мелких столбчатых кристаллов нижнего слоя, крупных столбчатых кристаллов, росших снизу вверх, и, наконец, слой столбчатых кристаллов средней крупности, росших тоже снизу вверх,
Плотность вертикального слитка алюминиевой бронзы А5, отлитой в виде плиты размерами 800х180х30 мм в разъемную чугунную изложницу при отношении массы изложницы к массе слитка, равном 4, дает представление о распределении пористости (рис. 202). Наиболее высокая плотность получена в средней части слитка, в верхней половине и у боковых кромок слитка. Наименьшая плотность обнаружена в зоне несколько выше нижней кромки слитка и на расстоянии 0,2—0,3 ширины от боковых кромок в нижней половине слитка. Кроме того, сравнительно невысокая плотность получена вблизи верхней поверхности слитка, где, по-видимому, не была в достаточной мере восполнена усадка металла при кристаллизации. Наиболее пористые участки слитка располагаются в форме подковы в нижней половине слитка и в форме половины эллипсоида в верхней части слитка.
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков

Плотность цилиндрических слитков, отлитых полунепрерывным методом, из дуралюмина Д1 (рис. 203), меняется от периферии к центру. Для слитка диаметром 195 мм при скорости литья 1,16 мм/сек наибольшая плотность получена в центре слитка, тогда как при скорости литья 3,1 мм/сек в центре слитка плотность оказалась наименьшей. Наиболее высокой была плотность вблизи наружной поверхности.
Слитки диаметром 280 мм, отлитые при скоростях 1,5 и 2,1 мм/сек, показали одинаковую закономерность изменения плотности по сечению. Наибольшая плотность оказалась на некотором расстоянии от поверхности слитка, а к периферии и к центру она снижалась. Плотность слитка, отлитого при малой скорости, оказалась выше плотности слитка, отлитого при большой скорости.
Слитки еще большего диаметра (370 мм) показали различную закономерность в случае большей и меньшей скорости литья; при скорости литья 1,0 мм/сек наибольшая плотность слитка оказалась примерно на половине радиуса, а к центру слитка и к периферии она понижалась. В слитке, отлитом со скоростью около 1,5 мм/сек, наименьшая плотность была обнаружена в центре, а к периферии она постепенно повышалась.
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков

В приведенном исследовании Добаткина, невидимому, на точность кривых плотности слитков дуралюмина Д1 влияли какие-то не учтенные автором факторы, так как трудно ожидать изменения характера кривых в зависимости от не слишком больших изменений исследованных параметров.
Во всяком случае плотность цилиндрических слитков, как видно из кривых, может быть наибольшей и в центральной зоне слитка и в периферической, и располагаться в промежутке между центром и периферией.
В большинстве случаев плотность слитков у наружной поверхности при непрерывном литье с непосредственным охлаждением водой меньше, чем в зонах, расположенных несколько дальше от поверхности. Причиной этого является менее благоприятная кристаллизация при охлаждении наружных слоев в изложнице, тогда как последующие слои кристаллизуются под влиянием охлаждения уже закристаллизовавшихся поверхностных слоев водой, а от них и следующих за ними частей слитка.
Плотность слитков непрерывного литья с непосредственным охлаждением водой при применении малой высоты изложницы получается наибольшей. Чем больше высота изложницы, тем больше превалирует охлаждение слитка через стенку изложницы, тем меньшей получается плотность слитков. Еще меньшая плотность слитков получается при непрерывном литье, когда применяется охлаждение только посредством стенки изложницы и когда непосредственного охлаждения водой не применяется. Дальнейшее уменьшение плотности наблюдается в слитках, отлитых в охлаждаемую водой изложницу, и наименее плотные слитки получаются при литье в чугунные изложницы обычным методом (рис. 204).
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков

Несмотря на то, что наибольшая плотность наблюдается в слитках, затвердевавших с наибольшей скоростью, все же плотность слитка не имеет прямой связи со скоростью затвердевания. В значительно большей степени на плотность оказывает влияние направленность затвердевания; при интенсивном охлаждении снизу и при сохранении металла, расположенного выше, в расплавленном состоянии, плотность наибольшая.
Механические свойства отдельных геометрических зон слитков, полученных методом непрерывного литья, в большой степени зависят от скорости затвердевания в том случае, если в сплаве при конце кристаллизации выделяется хрупкая фаза. В этом случае чем выше скорость затвердевания, тем выше механические свойства такого сплава.
При одинаковой скорости литья повышение скорости охлаждения вызывает ускорение затвердевания, что способствует измельчению хрупкой фазы в эвтектике и повышению механических свойств. Для дуралюмина, например, наблюдается значительное повышение и предела прочности, и удлинения в зависимости от повышения скорости охлаждения.
Повышение скорости литья дуралюмина при непрерывном способе с непосредственным охлаждением водой вызывает и повышение скорости затвердевания, но механические свойства при этом растут до некоторого предела. При дальнейшем повышении скорости литья несмотря на некоторое дальнейшее повышение скорости затвердевания, механические свойства начинают снижаться из-за появления пористости вследствие уменьшения направленности затвердевания. Последнее происходит потому, что при дальнейшем повышении скорости литья: лунка значительно углубляется, кристаллы растут с малым наклоном от горизонтального положения, что затрудняет питание растущих дендритов, а также затрудняет выход газов, пузырьки которых могут запутываться между ветвями дендритов и оставаться в слитке. Усадочная и газовая пористость и вызывает некоторое снижение механических свойств дуралюмина, несмотря на повышение скорости затвердевания слитка.
Распределение механических свойств по сечению цилиндрических слитков дуралюмина Д1 приводится Добаткиным. Для слитка диаметром 195 мм, отлитого при малой скорости литья около 1,2 мм/сек, низкие свойства получены у периферии слитка, тогда как дальше к центру свойства литого материала несколько повышаются, хотя отклонения от средних значений достигают значительных величин. Сравнительно низкие свойства сплава у поверхности слитка объясняются, во-первых, более низкой скоростью затвердевания при охлаждении сплава через стенку изложницы, а во-вторых, тем, что в вертикальных образцах у периферии столбчатые кристаллы расположены поперек направления деформации при растяжении. Межкристаллическое расположение усадочных пор и ликвата способствует понижению механических свойств образцов этой зоны слитка.
При большей скорости литья (3,2 мм/сек) наиболее высокие свойства получаются у образцов, взятых на некотором расстоянии от поверхности слитка (рис. 205). Близкие к периферии и центру слитка образцы показывают снижение предела прочности и удлинения.
Физические и механические свойства различных кристаллических зон слитков