Разливка стали и кристаллизация

Размер  образовавшихся кристаллов зависит  от соотношения 
величин с.к. и ч.ц. при температуре кристаллизации, приданной 
степени переохлаждения. При большом значении с. к. и малом 
значении ч.ц. (например, при малых степенях переохлаждения, рис. 
15), образуются немногочисленные крупные кристаллы: при малых 
значениях с.к. и больших ч.ц. (большое переохлаждение) образуется 
большое число мелких кристаллов. Наконец, в соответствии с 
кривыми Таммана, если удается очень сильно переохладить 
жидкость без кристаллизации, то с.к. и ч.ц. становятся равными 
нулю. жидкость сохраняется не превращенной, не закристаллизовавшейся. Однако жидкие металлы мало склонны к 
переохлаждению и такого состояния достичь не могут. Соли, 
силикаты, органические вещества, наоборот, весьма склонны к 
переохлаждению. Обычное прозрачное «твердое» стекло представляет 
собой переохлажденную загустевшую жидкость. Такое состояние, как 
указывалось выше, является аморфным и характеризуется отсутствием 
определенной температуры плавления и отсутствием правильного 
расположения атомов а виде определенной кристаллической решетки.

Было  показано, что не только в жидких расплавах, но и при 
превращении в твердом состоянии новая фаза образуется путем 
зарождения и роста кристаллов: скорость этих процессов зависит от 
переохлаждения. В отличие от кристаллизации из жидкости процесс 
превращения в твердом состоянии (перекристаллизация) обычно 
протекает при сильном переохлаждении, и таммановская зависимость 
с.к. и ч.ц. для этого случая даже более приемлема, чем для случая 
первичной кристаллизации.

Учитывая  изложенное, можно отметить, что  переход из одного 
состояния в другое, например из жидкого в твердое, возможен тогда, 
когда твердое состояние более устойчиво, имеет более низкое 
значение свободной энергии. Но сам переход из одного состояния в другое требует затраты энергии на образование поверхности раздела 
жидкость - кристалл.

Превращение произойдет тогда, когда выигрыш  в энергии от 
перехода в более устойчивое состояние будет больше потерн энергии, 
идущей на образование поверхности раздела.

Другими словами, свободная энергия системы  ДФ определяется 
как алгебраическая сумма двух членов, характеризующих 
поверхностную Sσ и объемную VΔF энергии:

ΔФ = Sσ – VΔF,

где S - поверхность: σ - поверхностное натяжение: V - объем: ΔF 
- разность свободных энергий жидкого и кристаллического состояний, 
приходящаяся на единицу объема.

По  мере увеличения зародыша (для зародыша сферической 
формы) поверхностный член увеличивается пропорционально квадрату 
радиуса, а объемный – кубу, т. е. если поверхность и объем частицы 
выразить через ее радиус, то получим:

ΔФ = 4πr²nσ —(4/3)πr³nΔF,

где г - радиус частицы новой фазы; n - число частиц.

Увеличение  размера зарождающегося кристалла  вначале 
приводит к росту свободной энергии (так как объем V мал, а 
поверхность S относительно велика) (рис. 16.). Но при некотором 
критическом значении увеличение размера зародыша приведет к 
уменьшению ΔФ.

Рис. 16. Изменение свободной энергии в зависимости от размера зародыша

Процесс кристаллизации может протекать  только при условии 
уменьшения свободной энергии, поэтому, если образуется зародыш 
размером меньше r_к (рис. 16.), он расти не может, так как это повело 
бы к увеличению энергии системы. Если же образуется зародыш 
размером r_к и более, то его рост возможен, так как это приведет к 
уменьшению свободной энергии.

Минимальный размер способного к росту зародыша называется 
критическим размером зародыша, а такой зародыш называется 
устойчивым.

Каждой  температуре кристаллизации (степени  переохлаждения) 
отвечает определенный размер устойчивого зародыша: более мелкие, 
если они и возникнут, тут же растворяются в жидкости, а более 
крупные растут, превращаясь в зерна - кристаллы. Чем ниже 
температура (больше степень переохлаждения), тем меньший размер 
имеет устойчивый зародыш, тем больше число центров 
кристаллизации образуется в единицу времени, тем быстрее 
протекает процесс кристаллизации. Таким образом, с увеличением 
степени переохлаждения быстро возрастают величина ч.ц. и общая 
скорость кристаллизации.

 

4. Форма кристаллических образований

Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется 
действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на 
процесс, что роль степени переохлаждения может стать в 
количественном отношении второстепенной.

При кристаллизации из жидкого состояния  для скорости течения 
процесса и для формы образующихся кристаллов первостепенное 
значение приобретают такие факторы, как скорость и направление 
отвода тепла, наличие не растворившихся частиц, наличие 
конвекционных токов жидкости и т. д.

В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в 
другом направлении.

Если  на боковой поверхности растущего  кристалла возникает 
бугорок, то кристалл приобретает способность расти и в боковом 
направлении. В результате образуется древовидный кристалл, так 
называемый дендрит, Схематическая структура которого, впервые 
изображенная Д. К. Черновым, показана на рис. 17.

Рис. 17. Кристалл Чернова

Дендритное  строение, вообще говоря, является типичным для 
литого металла. Если условия кристаллизации благоприятны, то иногда 
вырастают огромные дендриты. В усадочной раковине 100-т стального 
слитка один из учеников Д. К. Чернова нашел дендрит длиной в 39 см. 
Дендрит большего размера найти не удалось. Фотография этого 
дендрита, который обычно называется «кристаллом Чернова», 
приведена на рис. 17.

Дендриты  нормального размера, встречающиеся  в литых 
металлах, имеют размеры намного меньше в длину несколько 
миллиметров.

Следует иметь в виду, что дендриты в  свою очередь состоят из 
многих тысяч или миллионов зерен, подобных тем. которые 
изображены на рис. 18. В объеме одного дендрита этим зерна имеют, 
по-видимому, близкую ориентировку.

Рис. 18. Микроструктура металла

Приведенная на рис. 18. структура носит название полиэдритной, 
т. е. состоящей из более или менее равноосных зерен, имеющих 
приблизительно одинаковые размеры во всех направлениях.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Слитки  спокойной и кипящей стали  имеют различную структуру.  При остывании слитка спокойной стали металл дает усадку   (уменьшается   в объеме). В результате   этого в слитке образуется пустота — усадочная раковина, которую стараются вывести в верхнюю часть слитка. Для этого на изложницы устанавливают прибыльные  надставки, в которых металл затвердевает в последнюю очередь, что способствует выводу сюда усадочной раковины.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гуляев А. П. Металловедение. - М:. Металлургия. 1977. - 648 с.

2. Бокштейн С. 3. Строение и свойства металлических сплавов. М.: 
Металлургия. 1971. -496 с.

3. Лившиц Б. Г. Металлография. M.: Металлургия. 1971. - 404 с.

4. Власов Н.Н.. Корроль В В., Радя B.C. Разливка черных металлов. 
- M:. Металлургия. 1987. - 272 с.

5. Струговщиков Д.П. Разливка стали. - С.: ГНТИ. 1956. - 192 с.

6. Валуев Д.В. Разливка и кристаллизация  стали и сплавов. Томск: Изд-во  Томского политехнического университета, 2009. – 235 с.