2.2. Форма кристаллов и строение слитка Форма зерен, образующихся при кристаллизации зависит от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, а также от примесей. Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме, в первую очередь в направлениях, перпендикулярных к плотноупакованным плоскостям (рис. 2.2.1). Вначале вырастают длинные ветви, называемые осями первого порядка. Затем на этих осях появляются, и начинают расти ветви второго порядка и т.д. Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся друг с другом. После этого окончательно заполняются межосные пространства, и дендриты превращаются в полновесные кристаллы с неправильной внешней огранкой. Такие кристаллы называются зернами или кристаллитами. Рис. 2.2.1. Дендритные кристаллы Рассмотрим строение стального слитка, наиболее часто наблюдаемый вид структуры, когда отливается жидкий металл в вертикальную форму или изложницу с холодными стенками. Сначала на поверхности слитка образуется зона мелких кристаллов, т.к. в первые моменты затвердевания слитка обеспечиваются большие скорости охлаждения металла (рис. 2.2.2). Затем растут большие кристаллы, вытянутые по направлению отвода теплоты. Их называют столбчатыми кристаллами. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения, образуются равновесные кристаллы больших размеров. Рис. 2.2.2. Схема строения стального слитка: а) структура литой стали; б) макроструктура слитка; 1 – зона мелких различно ориентированных кристаллов; 2 – зона столбчатых кристаллов; 3 – зона крупных равноосных кристаллов 1 зона – мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных легких кристаллов дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. 2 зона – зона столбчатых кристаллов. После образования корки условия теплоотвода меняются (из-за корки), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается, и следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы. Прорастание длинными кристаллами толщи слитка называется транскристаллизацией. 3 зона – зона больших равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура успевает выравниваться в различных точках зоны и в жидкости по всему объему возникают центры кристаллизации. Охлаждение медленное, поэтому структура – большие равноосные зерна. Объем, занимаемый различными зонами в слитке, зависит от состава разливаемого металла и степени его перегрева, а также от размера и формы слитка. При больших перегревах и небольших размерах слитка зона столбчатых кристаллов может заполнить весь объем слитка. В зоне столбчатых кристаллов, как правило, нет пузырей, раковин, поэтому для получения плотных слитков выгодно, чтобы эта поверхность была больше. В то же время, увеличивать зону столбчатых кристаллов в слитке для малопластичных металлов (например, многих сталей) невыгодно, так как при последующей обработке давлением в местах стыка кристаллов могут образовываться трещины. Слиток имеет неоднородный состав. В стали по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей серы и фосфора. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Химическая неоднородность в пределах одного зерна называется дендритной ликвацией. Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию в верхней части пустоты – усадочной раковины. В верхней части слитка металл рыхлый, поскольку пронизан газовыми порами и примесями. Эта дефектная часть слитка подлежит удалению. Кристаллы различают 2-х видов. В первом случае внешняя форма не представляет геометрической правильности, чаще принимает округлые очертания. Это кристаллы – зерна. В другом случае кристаллические образования имеют ветвистую форму с незаполненными промежутками, напоминающую дерево – дендриты.