» » Микронеоднородность твердых металлов и сплавов
30.01.2015

Еще в 1947 г. А.А. Бочвар и О.С. Жадаева впервые указали на то, что даже в пределах одного кристаллического зерна металла микротвердость существенно различается. Анализируя разброс значений микротвердости, эти ученые пришли к заключению и подтвердили экспериментально, что она определяется микронеоднородностью объема зерна (дендритной неоднородностью). Несколько позднее (1949 г.) Д.А. Петров и Л.А. Райковская использовали метод микронеоднородности для непосредственного изучения внутрикристаллической ликвации; они нашли закономерное распределение микротвердости в объеме зерна, соответствующее возможной по диаграмме состояний химической дендритной неоднородности сплавов.
Дендритная неоднородность, а также механические свойства литых сталей и сплавов определяются размерами дендритов и расстояниями между их ветвями. Увеличение скорости кристаллизации металлических расплавов сопровождается уменьшением размеров первичных кристаллов и повышением свойств металла. Согласно исследованиям Чалмерса, при дендритной кристаллизации скорость роста ветвей (R) пропорциональна переохлаждению сплава в квадрате: R = λL (Δt)2/(4ρσtE), где λL, ρ — теплопроводность и плотность расплава; σ — межфазная поверхностная энергия; Δt — переохлаждение у фронта затвердевания; tЕ - равновесная температура.
Разветвленноеть и направление роста кристаллов зависят от условий теплоотвода, содержания растворенных примесей и формы границы раздела кристалл—жидкость. С целью получения дисперсной кристаллической структуры, снижающей дендритную неоднородность, необходимо создать условия для получения отрицательного температурного градиента в зоне двухфазного состояния кристаллизующейся стали или сплава. Это достигается интенсивным теплоотводом через затвердевший слой металла и введением микрохолодильников в виде металлических порошков.
Вследствие введения микрохолодильников в металлический расплав возникает дополнительное переохлаждение. При этом из расплава отбирается тепло, равное q=m*с*Δt, где m, c — масса и теплоемкость микрохолодильников.
В результате этого наблюдается значительное переохлаждение расплава, способствующее интенсивному зарождению дополнительных центров кристаллизации и измельчению структуры сталей и сплавов.
Следует отметить, что весьма эффективным способом воздействия на процессы кристаллизации металлических расплавов в слитках является эндогенное суспензионное литье, заключающееся в перемешивании сплавов в интервале температур ликвидуса-солидуса. Для этого могут быть использованы специальные мешалки или продувка кристаллизующихся слитков инертным газом, что уже успешно реализовано в промышленных условиях Ю.Я. Скоком. В результате взаимодействия струй и пузырьков инертного газа с металлическим расплавом возникают турбулентные пульсации, приводящие к обламыванию вторичных ветвей и ветвей дендритов более высоких порядков, а также к откалыванию фрагментов кристаллов от первичных ветвей. Все это в свою очередь приводит к размножению кристаллов, увеличению количества центров кристаллизации и измельчению первичной структуры. Опыты показали, что степень измельчения первичных кристаллов достигает 5—20 раз. Кроме того, расплав рафинируется от вредных примесей, практически ликвидируется зона столбчатых кристаллов и формируется ячеистая структура; значительно снижается химическая микронеоднородность и уменьшается анизотропия механических свойств сталей и сплавов.
Микролегирование сталей кальцием уменьшает существенно химическую микронеоднородность по сере. Кальций, входя в состав легкоплавких сульфидов, повышает их температуру плавления. Если в обычной стали жидкие сульфиды вытесняются фронтом растущих кристаллов на границу затвердевания и это на определенном этапе приводит к формированию целых зон в виде шнуров, то в микролегированной кальцием стали затвердевшие оксисульфидные включения захватываются растущими кристаллами. Это приводит к равномерному распределению сульфидов в микрообъемах стали, повышая степень микрооднородности последней.