Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Неравновесные условия кристаллизации сплавов предопределяют появление неравновесных форм кристаллов. Такой типичной для металлических кристаллов неравновесной формой являются дендриты, названные так за сходство со стволом дерева с отходящими от него ветвями.
На рис. 17 изображены дендриты, выросшие на открытой поверхности слитков. Оси дендритов расположены по определенным кристаллографическим направлениям. В металлах с кубической структурой они перпендикулярны граням куба. Взаимная перпендикулярность осей дендритов хорошо видна, если дендриты развиваются свободно, как это происходит на открытой поверхности слитка. Однако внутри массы металла оси многих дендритов переплетаются между собой так, что на шлифе часто невозможно найти ветви, принадлежащие одному дендриту, и убедиться в их взаимной перпендикулярности. На шлифах можно видеть сечения осей дендритов, отделенные межосными промежутками. Эти сечения имеют вид своеобразных ячеек, поэтому их называют дендритными ячейками. Центр ячейки соответствует оси дендрита.
Установлено, что дендритная кристаллизация начинает развиваться уже при небольших скоростях охлаждения (10—15°С мин). Когда идет дендритная кристаллизация, оси дендритов могут расти с очень большой скоростью — до 1000 мм. мин. Они как бы пронизывают кристаллизующийся сплав, создавая каркас. Жидкость, оставшаяся между осями дендритов, затвердевает медленно, с линейной скоростью до 10 мм/мин.
Главную роль в механизме образования дендрита играет неравномерное распределение температуры и неравномерная концентрация примесей и компонентов, понижающих точку плавления металла, в расплаве вокруг растущего кристалла. Кроме того, сказывается анизотропия скорости роста самого кристалла.
Из сопоставления условий неравновесной кристаллизации с механизмом роста дендрита следует, что состав стволов и осей дендритов должен быть близок к концентрации С1н (рис. 14).
Весь процесс неравновесной кристаллизации, связанный с выделением твердого вещества переменного состава, совершается на микроскопическом участке между двумя соседними осями дендрита. Чем больше скорость охлаждения, тем тоньше оси дендритов, меньше расстояния между ними. Это объясняется тем, что чем быстрее охлаждается сплав, чем быстрее растут стволы и оси дендритов, тем меньше времени для формирования обогащенного слоя жидкости вокруг них. Поэтому ширина этого слоя меньше. Так как именно она предопределяет частоту возникновения боковых осей на стволе дендрита, то оси появляются более часто, и расстояния между центрами осей и межосными промежутками уменьшаются. Размер дендритной ячейки, равный удвоенному расстоянию ось — межосный промежуток, с ростом скорости охлаждения от единиц до сотен градусов в минуту уменьшается от 300—500 до 5—10 мкм. Имеется также связь между линейной скоростью роста вершин стволов дендритов v (мм/мин) и расстоянием между боковыми ветвями дендритов х (мм). Эта связь приближенно может быть выражена зависимостью (v+1)(х—0,005)=1. Данная зависимость справедлива для скоростей более 5 мм мин При меньших скоростях боковые ветви на стволах дендритов не развиваются, и дендритный рост сменяется так называемым ячеистым, при котором растут только стволы дендритов. Эти стволы развиваются рядом в одном направлении в сторону расплава. В поперечном сечении на шлифе обнаруживается однородная ячеистая структура, где каждая ячейка является сечением ствола дендрита.
Разница в составе осей дендрита и вещества между осями называется дендритной ликвацией. Достигая наибольшего значения при скорости охлаждения 20—50 °С/мин, дендритная ликвация остается неизменной при охлаждении со скоростями до 1000 °С/мин.
Из сказанного нельзя делать вывод, что дендритная кристаллизация присуща только сплавам, имеющим интервал кристаллизации. Опыт показывает, что даже в чистых металлах, содержащих не более нескольких тысячных долей процента примесей, происходит дендритная кристаллизация, но при больших скоростях охлаждения. Чем чище металл, тем грубее оказываются выросшие в нем дендриты и больше величина дендритной ячейки при одинаковых условиях кристаллизации.
Дендритная кристаллизация и неразрывно связанная с ней концентрационная неоднородность металлов очень сильно влияют на технологические и эксплуатационные свойства сплавов. В общем, дендритная неоднородность — явление нежелательное. Чем больше различие в составе отдельных участков кристаллов и значительнее величина этих участков, тем резче разница в свойствах этих участков. Появляющиеся вследствие неравновесной кристаллизации включения эвтектик между ветвями дендритов способны понизить прочность и пластичность сплава. Однако измельчение внутреннего строения дендрита (малые размеры дендритных ячеек) сопровождается заметным улучшением механических свойств сплава Таким образом оказывается, что грубая дендритная структура с размером ячейки более 100 мкм является причиной низких механических и технологических свойств сплавов, тогда как тонкое дендритное строение с ячейкой 20—30 мкм и менее обусловливает высокие свойства сплавов.
Если литой металл подвергается пластической деформации, дендритная неоднородность является одной из причин возникновения характерной полосчатой структуры, обусловливающей резкую разницу в свойствах металла вдоль и поперек направления деформации. Дендритная неоднородность литого металла может сказываться также на температуре и ходе рекристаллизации металла после его деформирования. Дендритная неоднородность заметно влияет на коррозионную стойкость металла. Чем больше неоднородность, тем сильнее выражена разность потенциалов между участками и интенсивнее коррозия.
Для выравнивания неоднородности состава в микрообъемах сплава, вызванной дендритной неравновесной кристаллизацией, применяют гомогенизирующий отжиг. Гомогенизация проходит тем скорее, чем мельче внутреннее строение дендритов. С этой точки зрения очевидно положительное действие повышенных скоростей охлаждения.