Машиностроение и механика

Рост кристаллов

Зарождающийся кристалл имеет правильную форму, определяемую типом кристал­лической решетки твердого металла. Однако вскоре после зарождения правильный рост возникшего кристалла прекращается и начинается преимущественный рост его вершин, т, е. ветвей дендрита. Объясняется это следующим: количество тепла и примесей сплава, выделяющихся при кристаллизации, будет минимальным у вершин и максимальным у центра граней кристалла, что препятствует дальнейшей кристаллизации у граней. От вершин кристалла вырастают оси первого порядка (стволы дендрита), на них перпендикулярно нап­равленные оси второго порядка (ветви), на которых аналогичным образом развиваются оси третьего порядка и т. д. Появление все новых осей и их постепенное утолщение приводят к формированию сплошного кристалла (дендрита).

Установлено, что в сплавах на основе железа ветви дендритов растут в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

При отсутствии направленного теплоотвода оси во всех направлениях развиваются примерно одинаково и кристалл получается равноосным. При направленном теплоотводе кристаллы имеют вытянутую форму.

Вид структуры слитка определяется условиями охлаждения. Качественная связь между скоростью образования зародышей V₀.₃, линейной скоростью кристаллизации V_л. _к и величиной переохлажде­ния имеет вид.

Зависимость линей­ной скорости кристаллизации V_{л к} и скорости образования зародышей V_о.з. от величины переохлаждения

При высокой степени переохлаждения, которое, напри­мер, имеет место при первоначальном контакте жидкого металла с холодной стенкой изложницы или кристаллизатора, число образовавшихся зародышей велико, а скорость роста зерна ограничена. В этом случае формируется мелкозер­нистая структура. По мере уменьшения переохлаждения скорость образования зародышей снижается быстрее, чем ско­рость их линейного роста. Кристаллы будут развиваться до больших разме­ров. При степени переохлаждения, рав­ной ΔТ₂, когда образуется мало заро­дышей, а скорость роста зерна еще велика – структура будет крупнозернистой.

Скорость роста кристаллов определяется в первую очередь ин­тенсивностью теплоотвода; чем больше скорость теплоотвода и чем больше переохлаждение жидкого металла, тем больше будет скорость роста.

Следует отметить, что рост кристаллов протекает одинаково как в случае гомогенного, так и в случае гетерогенного их зарожде­ния.

Интервал кристаллизации. Известно, что чистые металлы кристаллизуются при постоянной температуре, а сталь как много­компонентный раствор — в определенном интервале температур путем так называемой «избирательной кристаллизации». При тем­пературе, соответствующей началу интервала кристаллизации об­разуются и начинают расти оси кристаллов, обедненные углеродом и другими составляющими стали, а в остающемся жидком металле их содержание возрастает. Поэтому понижается температура затвер­девания жидкой фазы и последующие оси кристалла формируются при все более низкой температуре, а содержанке примесей в них возрастает.

Величина интервала кристаллизации определяется составом стали и условиями затвердевания слитка. Она возрастает при увеличении содержания в стали углерода и легирующих элементов. В высоко­углеродистой стали У13А величина интервала кристаллизации достигает 325 "С. При увеличении интервала кристаллизации возра­стает степень химической неоднородности затвердевшего слитка, что нежелательно.

Скорость затвердевания слитка. При затвердевании стали в из­ложнице тепло отводится через ее стенки, поэтому зарождение и рост кристаллов начинаются у стенок изложницы, а толщина затвердев­шего слоя непрерывно возрастает в направлении к центру слитка.