» » Кристаллическая структура отливок
22.04.2015

Рассматривая кристаллическую структуру отливки невооруженным глазом, т. е. макроструктуру, часто можно обнаружить, что она состоит из трех зон, отличающихся размером и формой кристаллов (рис. 22) Поверхностные слои отливки сложены из мелких кристаллов, имеющих примерно одинаковые размеры (1—2 мм) по всем направлениям. Поэтому такие кристаллы называют равноосными. Толщина поверхностного слоя составляет несколько миллиметров Если толщина отливки невелика, то поверхностные зоны мелких равноосных кристаллов, возникшие у противоположных сторон, сливаются и, таким образом, все сечение отливки оказывается занятым равноосными кристаллами малого размера.
Кристаллическая структура отливок

Под поверхностной зоной мелких кристаллов обнаруживаются крупные кристаллы, вытянутые в направлении отвода тепла. Их принято называть столбчатыми. Ширина этих кристаллов увеличивается по направлению к центру сечения отливки. Длина столбчатых кристаллов может доходить до нескольких сантиметров. В некоторых случаях столбчатые кристаллы, выросшие с двух противоположных сторон сечения отливки, доходят до центра, и тогда все сечение отливки, за исключением поверхностных зон, оказывается занятым столбчатыми кристаллами. Такое явление называют транскристаллизацией.
Средняя часть сечения отливки занята крупными кристаллами с одинаковыми размерами по разным направлениям. Иногда центральная зона крупных равноосных кристаллов распространяется на все сечение отливки.
Образование поверхностной зоны мелких равноосных кристаллов связано с переохлаждением слоя расплава, прилегающего к поверхности формы. Переохлаждение вызывает массовое зарождение и одновременный рост кристаллов во всем слое. Так как каждый кристалл со всех сторон окружен переохлажденным расплавом, он растет во все стороны с примерно одинаковыми скоростями. Поэтому кристаллы принимают равноосную форму. После того, как в поверхностном слое отливки выросло множество мелких беспорядочно ориентированных кристаллов. переохлаждение в этом слое прекращается. В дальнейшем очень небольшое переохлаждение наблюдается лишь в тонких слоях расплава, непосредственно граничащих с растущими кристаллами.
Из беспорядочно ориентированных кристаллов поверхностного, слоя сохраняются лишь те, у которых наиболее быстрорастущие направления совпадают с направлением отвода тепла. Такие кристаллы растут беспрепятственно в сторону расплава к центру отливки. Кристаллы, у которых направление быстрого роста не совпадает с нормалью к поверхности охлаждения, вскоре наталкиваются на своих соседей, и их рост прекращается. Каждый благоприятно ориентированный кристалл оказывается в окружении равноценных соседей; все они растут перпендикулярно поверхности охлаждения и приобретают вытянутую форму. Таким образом возникает зона столбчатых кристаллов.
За зоной столбчатых кристаллов начинается центральная зона с крупными зернами примерно равного размера. Прекращение роста столбчатых кристаллов объясняется, по-видимому, многими причинами. Наиболее важным является действие растворимых и нерастворимых примесей. Как было показано ранее, при неравновесной кристаллизации в прилежащем к кристаллу слое жидкости появляется повышенное содержание примесей и компонентов, понижающих точку плавлении сплава. Толщина этого обогащенного слоя тем больше, чем медленнее растет кристалл.
В этом слое расплаве создается определенное переохлаждение обусловливающее рост кристалла. При интенсивном отводе тепла переохлаждение на фронте кристаллизации столь велико, что обеспечивает большую линейную скорость роста кристаллов. Пока обогащенный слой узок, градиент концентрации в нем велик. Это надежно обеспечивает подвод к кристаллу атомов тугоплавких компонентов и отвод от кристалла атомов легкоплавких компонентов. При замедлении охлаждения может наступить такой момент, когда переохлаждение распространится за обогащенный слой, где жидкость более тугоплавка. Следствием этого может быть появление зародыша и рост нового кристалла за слоем легкоплавкой жидкости, окружающей старый кристалл. Это явление называется концентрационным (конституционным) или диффузионным переохлаждением.
Взвешенные частицы нерастворимых примесей способны также вызвать в определенный момент прекращение роста столбчатых кристаллов. Пока кристаллы растут с большой скоростью, все встречающиеся на пути инородные частицы врастают в них, не сдвигаясь.
С определенного момента, когда скорость роста уменьшилась, начинается перемещение взвешенных частиц. Прослойка из накопленных частиц примесей делается столь значительной, что мешает расплаву подтекать к поверхности кристалла, и рост его еще больше замедляется. Распространяющееся в жидкость переохлаждение вызывает появление нового кристалла.
Из описанного механизма влияния растворимых и нерастворимых примесей на прекращение развития столбчатых кристаллов и вообще на макроструктуру отливок следует, что чем свободнее металл от любых примесей, тем крупнее должны быть зерна в литой структуре и больше вероятность появления столбчатой структуры. Это подтверждается полностью многочисленными наблюдениями
В ходе затвердевания отливок возможно также оседание отдельных кристаллов в жидкой части. Эти кристаллы либо зарождаются там самостоятельно, либо заносятся потоками расплава. В результате этого в структуре может появиться особая кристаллическая зона, состоящая из небольших равноосных кристаллов в нижней части отливки между зоной столбчатых и крупных равноосных кристаллов. Эти оседающие кристаллы называют «дождепадающими».
Кристаллическая структура отливки существенным образом зависит от типа сплава и условий охлаждения. У отливок из чистых металлов и сплавов, не имеющих интервала кристаллизации, обычно наблюдается столбчатая структура независимо от условий охлаждения. Отливки из сплавов с интервалом кристаллизации, как правило, имеют структуру, в которой наблюдаются все три кристаллические зоны. Возрастание интервала кристаллизации в близких по составу сплавах способствует увеличению в структуре отливок равноосной центральной зоны и сокращению зоны столбчатых кристаллов. При узком интервале кристаллизации сплава более вероятна столбчатая структура.
Условия охлаждения решающим образом влияют на макроструктуру отливок. При большой скорости охлаждения образуется отливка с четко выраженной зоной столбчатых кристаллов, занимающих иногда все сечение. При этом сплав может иметь значительные температурный и концентрационный интервалы кристаллизации
Структура отливки существенно меняется при движении расплава относительно растущих кристаллов. Если движение расплава вызывает размывание слоя легкоплавкой жидкости вокруг растущих кристаллов, то происходит укрупнение зерна и увеличение зоны столбчатых кристаллов. При направленном движении жидкости столбчатые кристаллы начинают развиваться навстречу потоку и поэтому принимают наклонный или искривленный вид в макроструктуре. Если же скорость движения велика и вызывает разрушение кристаллов, то происходит общее измельчение макроструктуры отливки, столбчатые кристаллы превращаются в мелкие равноосные. Измельчение макрозерна в этом случае объясняется затравочным действием обломков кристаллов.
Микроструктура отливки изменяется совершенно закономерно в полном соответствии с имевшейся в данной точке скоростью охлаждения в период затвердения. Выше было отмечено, что увеличение скорости охлаждения отражается на виде дендритов их оси становятся более тонкими, расстояние между ними уменьшается, выделения фаз в эвтектике делаются более мелкими. Таким образом, микроструктура литого металла тем мельче, чем выше была скорость охлаждения в данном участке отливки при затвердевании.
Важно иметь в виду, что нет прямой связи между макроструктурой и микроструктурой отливок Нередко отливка имеет грубую макроструктуру, размеры зерен, видимых простым глазом, составляют десятки миллиметров. Однако микроструктура металла, т. е. внутреннее строение макрозерен, различимое при некотором увеличении, оказывается очень мелким, оси дендритов имеют небольшую толщину, дендритная ячейка мелкая, включения других фаз, располагающиеся между осями дендритов по границам дендритных ячеек, очень мелкие и распределены равномерно. Такая картина наблюдается, в частности, в слитках непрерывного литья. Возможны случаи, когда при малом размере макрозерен их внутреннее строение грубое: оси дендритов толстые и короткие, включения фаз по границам дендритных ячеек, как и сами ячейки, имеют большие размеры. Такое сочетание макро-и микроструктуры встречается в отливках из алюминиевых сплабов, модифицированных титаном и бором в случае замедленного охлаждения. Такая же картина отмечается при измельчении макрозерна литьем с очень низкой температуры, если последующее охлаждение было замедленным. Наблюдаются и такие случаи, когда при тонкой микроструктуре отливка имеет и мелкую макроструктуру.
Структура отливки влияет на свойства литого металла. Наиболее желательна мелкая микроструктура, при которой обеспечивается наибольшая равномерность распределения легирующих компонентов и фазовых составляющих. Она достигается при повышенной скорости охлаждения отливки. Однако повышенные скорости охлаждения усиливают неравновесность процесса кристаллизации, что может привести к появлению в структуре по вышенного количества упрочняющих фаз или к образованию новых фазовых составляющих. В итоге может произойти существенное снижение пластичности металла, которую приходится повышать гомогенизирующими отжигами.
Крупнозернистая, мелкозернистая и столбчатая макроструктуры имеют свои отрицательные и положительные стороны. Наиболее высокие механические свойства и отсутствие пористости отмечаются в мелкокристаллической поверхностной зоне с равноосными зернами. Структура, сложенная из столбчатых кристаллов, также отличается отсутствием пористости. Однако у столбчатой структуры есть особенность, состоящая в заметной анизотропии механических свойств. Значения прочности и пластичности вдоль столбчатых кристаллов могут на 30—50 % отличаться от соответствующих значений в поперечном направлении. Это объясняется тем, что столбчатые кристаллы вытянуты по определенным кристаллографическим направлениям. Подобное совпадение ориентировки большего числа зерен в литом металле называется текстурой кристаллизации. Это явление особенно нежелательно в слитках, подвергаемых пластическому деформированию, так как может вызвать неожиданное их разрушение в ходе обработки давлением, хотя средний запас пластичности у металла более чем достаточен. У фасонных отливок столбчатая структура благодаря отсутствию усадочной пористости оказывается более приемлемой, чем обычная равноосная. Однако в зоне столбчатых кристалов могут возникнуть трещины по границам зерен, а также на стыке зерен, выросших от противоположных сторон. При механических испытаниях может обнаружиться отклонение от стандартов из-за отмеченной выше анизотропии свойств
Структура, состоящая из крупных равноосных зерен, часто бывает поражена усадочной пористостью, и поэтому отливки с такой структурой имеют наиболее низкие показатели прочности, пластичности и плотности. Однако именно такую структуру обычно имеют фасонные отливки, получаемые в песчаных формах.
У слитков, подлежащих обработке давлением путем пластического деформирования, крупнозернистая структура нежелательна. Вследствие анизотропии свойств соседние зерна с разной ориентировкой относительно действующих напряжений будут деформироваться различно. Одни зерна могут деформироваться сразу пластически, а другие — лишь упруго. Если абсолютное значение пластической деформации первых зерен велико, она может превысить допустимую упругую деформацию соседних неблагоприятно ориентированных зерен. В этом случае последние начнут разрушаться. Чем крупнее зерна, тем больше абсолютное значение пластических деформаций благоприятно ориентированных зерен и тем больше вероятность разрушения литой заготовки на начальных стадиях деформирования. Именно этой неравномерностью пластической деформации соседних зерен объясняется плохая технологичность при обработке давлением крупнозернистого металла.