Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о дендритном росте и огрублении дендритов в сталях и сплавах 10
1.1 .Особенности дендритного роста и огрубления дендритов 10
1.2. Дисперсность дендритных структур и формирование в стальных отливках усадочной пористости 21
1.3.Цель работы и задачи исследования 24
Глава 2. Общая и частные методики исследования 26
2.1 .Общая методика работы 26
2.2.Проведение опытных плавок и подготовка литых образцов 30
2.3 Металлографические исследования дендритов в образцах, имеющих усадочную пористость 31
2.4. Методика количественной оценки степени огрубления дендритов 35
2.5.Исследование дендритной ликвации компонентов и термической гомогенизации литых сталей 37
2.6. Методика изучения температурно-временного интервала процесса огрубления дендритных ветвей в сталях и чугунах методом ДТА 39
Глава 3. Исследование влияния различных факторов на огрубление дендритных кристаллов и ликвационную неоднородность Fe-C сплавов 41
3.1 Изучение морфологических особенностей дендритов в зонах осевой и рассредоточенной пористости 41
3.2 Исследование отдельных дендритных кристаллов на разных стадиях их огрубления 45
3.3. Взаимосвязь степени огрубления дендритов с дендритной ликвацией компонентов 50
3.4 Исследование температурно-временного интервала огрубления дендритов сталей и чугунов 56
Выводы по главе 60
Глава 4. Исследование особенностей роста и огрубления дендритных ветвей в столбчатых кристаллах Чернова 61
4.1 Исследование роста дендритных ветвей в зонах прерванной кристаллизации 61
4.2 Анализ затвердевания междендритных пространств в зоне прерванной кристаллизации 65
4.3 Исследование толщин дендритных ветвей в зоне штатной кристаллизации столбчатых кристаллов 70
4.4. Разработка новых критериев качественной оценки огрубления дендритов в сталях и сплавах 73
4.5. Исследование степени огрубления дендритов 76
4.6. Исследование плотности упаковки дендритного каркаса до и после огрубления ветвей 79
4.7. Анализ новых постулатов роста и огрубления дендритов в столбчатых кристаллах Чернова 84
Выводы по главе 88
Глава 5. Разработка и опытно-промышленное опробование нового метода регулирования огрубления дендритов в сталях 89
5.1. Теоретические предпосылки изменения интервала кристаллизации сталей при легировании - 89
5.2 Сравнительное исследование интервалов кристаллизации многокомпонентных сталей путем приведения их к псевдотройным Fe-C-Si композициям 96
5.3. Определение зависимости интервала кристаллизации сталей от величины кремниевого эквивалента 102
5.4. Результаты качественной оценки интервала кристаллизации литых среднеуглеродистых сталей 45ФЛ и 20Л 105
5.5. Ковшевое легирование стали молотым ферросплавами 112
5.6. Прогноз усадочной пористости стальных отливок 117
Выводы по главе 124
Глава 6. Обсуждение материалов исследований 125
6.1. Анализ основных несоответствий теории огрубления дендритных кристаллов 125
6.2. Обсуждение материалов исследований 127
Общие выводы по работе 130
Список использованной литературы 132
Приложение. Акт опытно-промышленного опробования основных рекомендаций работы.
- Дисперсность дендритных структур и формирование в стальных отливках усадочной пористости
- Металлографические исследования дендритов в образцах, имеющих усадочную пористость
- Исследование отдельных дендритных кристаллов на разных стадиях их огрубления
- Анализ затвердевания междендритных пространств в зоне прерванной кристаллизации
Введение к работе
Производство изделий и отливок, не имеющих дефектов, с хорошим набором служебных и технологических свойств, является актуальной проблемой материаловедения.
Улучшение эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов связано главным образом с повышением физической и химической однородности металла, уменьшением макроскопических и микроскопических дефектов, значительная часть которых возникает в период формирования кристаллической структуры отливок.
Существенный вклад в развитие теории кристаллизации и совершенствование методов регулирования структуры внесли работы Д. К.Чернрва, Н. В. Хворинова, Д. Д. Саратовкина, Н. И. Голикова, М. Флемингса, В. А. Ефимова, А. А. Бочвара, Б. А. Мовчана, У. Вайнгарда и многих других российских и зарубежных ученых.
В настоящее время формирование дефектов внутреннего строения металла отливок связывают с неизбежной неравномерностью температурных полей затвердевающей отливки и скачкообразными объемными изменениями в системе при фазовых L—*S переходах.
Движение расплава для компенсации объемной усадки происходит путем фильтрации под действием перепада давления и определяется морфологией канало:» между формирующейся твердой фазой. Например, когда дендритные кристаллы образуют жесткую систему, в которой фильтрационное перемещение расплава между ветвями затруднено, воздействовать на лучшую пропитываемость термических узлов очень сложно, и в структуре металла формируются мелкие усадочные поры. Профилактика этих дефектов кристаллического строения не всегда дает желательный результат.
В настоящее время наиболее существенного прогресса в получении качественной структуры и свойств добиваются направленной кристаллизацией и замедлением скорости охлаждения расплава в прибылях.
Вместе с тем, первоначально сформировавшийся дендритный каркас литых деталей является нестабильной структурой и обязательно испытывает так называемый процесс огрубления ветвей, от величины которого будут меняться и фильтрационные параметры системы.
В этой связи, систематические исследования особенностей протекания эффекта огрубления дендритных кристаллов и поиск на этой основе новых технических решений по повышению качества стальных заготовок для машиностроения является актуальной задачей, имеющей научное и прикладное значение.
В работе предпринята попытка разработки научно обоснованных методов управления дисперсностью первичных структур в сталях и сплавах для формирования в литых заготовках узлов и агрегатов машин заданных технологических и служебных свойств.
Цель работы. Целью диссертационного исследования получение в стальных заготовках для машиностроения заданных структуры и свойств путем направленных воздействий на степень огрубления дендритов при кристаллизации.
На защиту выносятся:
новая методика количественной оценки степени огрубления дендритных кристаллов в сталях и сплавах;
выявленные в настоящей работе неизвестные ранее особенности протекания в сталях эффекта огрубления дендритов;
новые термодинамические критерии огрубления дендритов, а также их предсказательная ценность в плане количественной характеристики эффекта;
взаимосвязь степени огрубления дендритов с микроликвационной неоднородностью железоуглеродистых сплавов;
метод определения интервалов кристаллизации и степени огрубления дендритов при многокомпонентной полиэдрации реальных сталей по активности углерода;
- новые технические решения по регулированию дисперсности дендритов в
отливках из углеродистых сталей 20Л и 45ФЛ.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования огрубления дендритов являлись литые образцы диаметром 16 и 40мм. С целью получения изделий с заданной структурой и свойствами изучали отливки мелкого и среднего сечения. Дифференциально-термический анализ выполняли на образцах диаметром 36 и 60мм. Данные полученные в лабораторных условиях подвергались проверке на единичных дендритных кристаллах из стали 40 вырезанных из 8,5т слитка.
В качестве материалов исследования использовались углеродистые стали с различным содержанием углерода, марганцевая сталь 110Г13Л и доэвтектические чугуны технической чистоты.
Достоверность результатов исследования достигалась использованием
такого "современного оборудования, как: рентгеноспектральный микрозонд
«Camebax - МХ50», приборный комплекс для дифференциально-термического
анализа (ДТА) кристаллизации «Кристаллдиграф» (Польша),
фотоэлектрический электроэмиссионный квантометр ARL 3460, оптический микроскоп «Neophot-21», структурный анализатор «Эпиквант», универсальные компьютерные программы, адаптированные для проведения количественной металлографии и др.
Результаты исследований обрабатывались методами математической статистики с применением ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в выявлении ранее неизвестных взаимосвязей состава углеродистых сталей с морфологией дендритных ветвей и в разработке на этой основе нового метода регулирования структуры и свойств.
Показано, что огрубления ветвей для каждого состава стали строго индивидуально и зависит от величины ее интервала кристаллизации.
Установлено, что степень огрубления дендритов и микрохимическая неоднородность ликвационного происхождения взаимосвязаны обратно-
пропорциональной зависимостью, которая позволяет изменять в заданных соотношениях эти характеристики в углеродистых сплавах.
3.Разработан принципиально новый метод полиэдрации (уменьшение мерности) многокомпонентных нелегированных и низколегированных углеродистых сталей по активности углерода, позволяющий выполнять прогнозную оценку интервалов кристаллизации, структуры и свойств этих сталей.
Практическая ценность. Установлена возможность за счет повышения степени огрубления дендритов воздействовать на снижение микрохимической неоднородности, а также на уменьшение величины усадочной пористости и стабилизацию пластических свойств углеродистых сталей.
Повышение степени огрубления дендритов на 20% позволяет с 70% достоверностью исключить возможность получения в стали усадочной пористости и пониженных пластических свойств.
По результатам опытно-промышленного опробования разработан метод экспрессного регулирования дендритной структуры и свойств стали 45ФЛ непосредственно в процессе выплавки путем направленной коррекции состава по кремнию.
Апробация работы и публикации. Основные положения работы и результаты исследования докладывались на следующих конференциях и семинарах: IX, X, XI Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2004, 2005, 2006гг), Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, 2005г), ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (2005, 2006, 2007гг) и научных семинарах кафедр «Машины и технологии литейного производства» и «Технология материалов» ВолгГТУ, г. Волгоград.
По теме диссертационного исследования опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 в центральных рецензируемых изданиях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературных источников и
приложения, содержит 144 страницы машинописного текста, 59 рисунков, 10 таблиц, 153 наименований литературных источников, включая 30 наименований на иностранных языках.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, её научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ существующих представлений о дендритной кристаллизации и эффекте огрубления дендритных кристаллов, а так же взаимосвязь дисперсности дендритов с величиной усадочной пористости в стальных отливках.
Сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе представлены общая и частные методики проведения экспериментов, позволяющие решить поставленные в работе задачи исследования и добиться выполнения цели.
Третья глава посвящена исследованию влияния термодинамических и термокинетических факторов на огрубление дендритов и ликвационную неоднородность Fe-C сплавов.
Предложена и опробована новая методика количественного определения степени огрубления дендритных кристаллов.
Исследованы отдельные дендритные кристаллы зафиксированные усадкой расплава на разных стадиях огрубления дендритов.
Установлены с помощью ДТА температурно-временные интервалы и термические эффекты огрубления дендритов в железоуглеродистых сплавах.
Четвёртая глава посвящена исследованию принципиально новых особенностей роста и огрубления дендритных кристаллов, выявленных в данной работе.
На единичных дендритных кристаллах впервые установлено, что в процессе дендритного роста огрубление дендритов не идет. В этом периоде дендритной кристаллизации все ветви кристалла сохраняют постоянной толщину и растут только линейно.
В то же время металлографический анализ дендритов зоны штатной кристаллизации показал, что большая, хотя также одинаковая толщина дендритных ветвей всех порядков в этой зоне может быть сформирована только при одновременном протекании огрубления всех ветвей, то есть после прекращения их роста.
И наконец, самое неожиданное, - установлено, что при огрублении дендритов рост твердой фазы временно прекращается, делая темп кристаллизации сталей дискретным.
Предложены новые качественные критерии оценки склонности сплава к огрублению дендритов, зависящие от химического состава.
В пятой главе разработаны теоретические предпосылки направленных воздействий на интервалы кристаллизации сталей. Показано, что химический состав стали может быть приведен к трехкомпонентному аналогу с помощью кремниевого эквивалента. Установлено, что по величине кремниевого эквивалента можно судить об интервалах кристаллизации,. дисперсности дендритных структур и развитии усадочных дефектов в углеродистых сталях.
Предложен и опробован новый метод качественной оценки интервалов кристаллизации по приведенному химическому составу сталей и дана прогнозная оценка усадочной пористости стальных отливок.
В шестой главе дается анализ основных несоответствий теории огрубления дендритных кристаллов и обсуждение материалов выполненных исследований дендритной кристаллизации и огрубления дендритных ветвей.
Сделаны общие выводы по работе.
В приложении представлен акт опытногпромышленного опробования результатов диссертационной работы на Волгоградском Тракторном заводе.
Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» ВолгГТУ.
Дисперсность дендритных структур и формирование в стальных отливках усадочной пористости
Разработка новых технически обоснованных и эффективных решений по уменьшению усадочной пористости отливок и слитков представляет актуальную задачу современного материаловедения. Анализ литературных источников, в той или иной мере затрагивающих проблемы усадки металлов, показывает, что на усадочную рыхлоту оказывает влияние как термодинамические параметры литья, например, химический состав [3,18,74], интервал кристаллизации [34,74,77], так и технологические -температура заливки [34,78,79], скорость охлаждения [3,18,77] и д.р. Такие известные ученые как Б.Б. Гуляев [18], А.А. Рыжиков [77] сходятся во мнегуии, что с повышением температуры заливки, снижается скорость затвердевания, и, соответственно увеличивается усадочная пористость, а понижение температуры заливки приводит к уменьшению пористости. В то же время, в работах А.А. Бочвара [80], Ю.А. Нехензи [34], A.M. Королькова [12] показано, что при высокой жидкотекучести улучшается пропитываемость отливки, то есть проникновение жидкости между растущими t соседними дендритами, и между ветвями самих дендритов [12]. Соответственно, должна снижаться усадочная пористость в литье. Таким образом, цитируемые работы содержат противоречивые требования с одной стороны, необходимость понижения температуры заливки, для уменьшения усадочной пористости, а с , другой стороны повышения температуры заливки для увеличения жидкотекучести. Известно [6,12,34], что температура заливки и жидкотекучесть связаны пропорциональной зависимостью.
В работе А.А. Бочвара [80,81,82] показано, что помимо температуры на жидкотекучесть оказывает влияние изменение теплопроводности. Так уменьшение теплопроводности, приводит к увеличению времени пребывания сплава в жидко-твердом состоянии, увеличивая пропитываемость междендритных пространств.
Подавляющее большинство исследователей согласны с тем, что усадочная пористость является следствием недостаточного питания отливки [18,83,84], объясняя это всасыванием маточного раствора в межкристаллическое пространство [18,85,86], а так же трудностями проникновения его в разветвленные капилляры дендритных кристаллов [12,87,88].
Б.Б. Гуляев [18] говорит о том, что некоторое повышение давления на жидкий расплав в период затвердевания должно способствовать уменьшению пористости [89,90,91]. С этим согласны A.M. Корольков [12], Г.Ф. Баландин [77], Ю.В. Найдич [92],объясняя положительное воздействие внешнего давления при затвердевании расплава ускорением фильтрации. Теоретическая основа фильтрации жидкости при затвердевании была так же рассмотрена в работе В.А. Ефимова и Г.Ф. Борисова [85,93,94].
Б.Б. Гуляевым, например, показано [18], что при удвоении скорости затвердевания относительный размер пористости возрастает в 1,6 раз. Гуляев связывает это с дендритной кристаллизацией и затрудненной фильтрацией расплава через межосевые промежутки в дендритных структурах повышенной дисперсности.
Однако достаточно неожиданным является вывод Ю.А. Нехендзи [34] о том, что чем крупнее кристаллы, тем большее развитие в сплаве получают процессы усадки. Крупные дендриты характеризуют медленную скорость охлаждения, и, следовательно, должны уменьшать усадочную пористость, а не увеличивать ее. [95,96,97]
Трудно объяснить столь различное толкование влиянием одного и того же технологического параметра на усадочную пористость металла, поэтому этот спорный вопрос о воздействии на усадочные явления скорости охлаждения предполагается, специально рассмотреть в диссертационной работе.
Это тем более важно, что именно скорость охлаждения может быть одним из немногих технологических параметров, с помощью которого в производстве можно рассчитывать на регулирование усадочных дефектов.
Многие авторы связывают склонность сплавов к образованию усадочных пор с шириной двухфазной зоны. В общем, подобными корреляциями [12,86,98] пытаются отражать склонность сплава либо к образованию концентрированной усадочной раковины, либо к рассредоточенной усадочной пористости. Так, в работе [26] Ю.А. Самойлович показал, что вероятность образования в сплаве усадочных пор, при прочих равных условиях, тем выше, чем больше интервал кристаллизации. Ю./е. Нехендзи [34] так же связывает возникновение усадочной пористости с расстоянием между ликвидусом и солидусом, и углами наклона этих линий. Таким образом, сплавы системы железо-углерод, а так же сплавы на основе меди четко подтверждают зависимость усадочной пористости от интервала кристаллизации. Причем, чем больше этот интервал, тем сильнее развита усадочная пористость. [99,100,101] К сожалению, лишь немногие авторы рассматривают усадочную пористость не связывая ее напрямую с дисперсностью дендритных кристаллов [18,78]. Например, Г.Ф. Баландин [78], объясняет разную склонность к образованию пор тем, что при уменьшении дендритных кристаллов проницаемость двухфазной зоны должна снизиться. Вместе с ней неизбежно уменьшится скорость фильтрации, а это должно привести к увеличению пористости в теле отливки.
Это, не удивительно, так как даже поверхностный анализ параметров, используемых при оценке усадочной пористости, показывает, что все они (и термодинамические и термокинетические) обязательно должны изменять дендритную структуру кристаллизации, снижая пористость при низкой дисперсности дендритных кристаллов, то есть при крупных дендритах.
Косвенно, это подтверждается тем, что усиление образования пор при повышении скорости охлаждения закономерно повышает и дисперсность дендритных кристаллов [3,74,79]. Аналогично будут влиять повышение степени перегрева металла [34, 102] и температуры заливки [34,77,78].
В то же время существует пока еще практически не используемая техническая возможность изменения дисперсности дендритов путем интенсификации эффекта их огрубления или напротив, подавления этого эффекта.
Механизм огрубления дендритных кристаллов [2,3,5], способен либо в несколько раз увеличить размеры дендритов, либо, при блокировании эффекта огрубления оставить их неизменными.
Чтобы достигнуть равноценного изменения дисперсности дендритных кристаллов только за счет скорости охлаждения необходимо повысить или понизить ее, примерно, нам два порядка величины [2,3,103,104].
В ІГГОМ понимании эффект огрубления дендритов может оказаться более действенным чем скорость охлаждения фактором, способным реально влиять на дендритную структуру и формирование в литье усадочных пор.
Таким образом, выполненный анализ литературных источников позволяет обоснованно сформулировать цели работы и задачи исследования.
Металлографические исследования дендритов в образцах, имеющих усадочную пористость
При изучении механизма роста и огрубления дендритных кристаллов в качестве объектов исследования были выбраны образцы углеродистых сталей 20, 40 и аустенитной стали 110Г13Л с дефектами усадочного происхождения в виде сосредоточенной пористости или концентрированных раковины, содержащих друзы мелких дендритов. При этом обоснованно предполагали, что в полостях усадочных дефектов, из-за нарушения контакта растущих дендритов с жидкой фазой можно будет обнаружить кристаллы, вершины которых прервали свой рост в момент их образования зафиксировав "первоначальную" толщину дендритных ветвей.
Методикой металлографических исследований предусматривали выполнить сопоставление морфологии кристаллов в зоне усадочной пористости и монолитного металла, с целью не только зафиксировать системные отличия дендритных параметров, но и установить температурно-временные интервалы кристаллизации, определяющие формирование таких изменений дендритных параметров в исследуемых зонах.
Степень огрубления дендритов в исследуемых сталях предполагали оценивать отношением расстояний между ветвями второго порядка у кристаллов, расположенных в зоне монолитного металла, к аналогичным параметрам дендритов из зоны усадочной пористости (Кюн/Кор)-
Принятая методика исследования нестабильности дендритных кристаллов предусматривала также разработку ограничительных характеристик усадочной пористости, пригодной для количественной оценки степени огрубления дендритов и пористости, не содержащей необходимой для этого информации.
Трудности принятых методик металлографических исследований были связаны с выявлением на шлифах подходящих дендритных кристаллов, позволяющих непосредственно в плоскости шлифа наблюдать последовательные стадии роста и соответствующую им трансформацию ветвей. При этом, требовалось не просто обнаружить такие изменения морфологии, но и доказать их значимость, например, при переходе дендрита из монолитного металла в зону усадочной пористости и непосредственно в полости усадочной раковины. Сами же измерения, основанные на сравнительно простой количественной металлографии, требовали только внимания и для достоверности результатов статистической обработки большой базы данных.
Измерению, в частности, подлежали расстояния между ветвями второго порядка (А., мкм), толщина дендритных ветвей (d=2r, мкм) и объемная доля дендритных кристаллов (і д).
Дендритную структуру изучали после травления образцов в кипящем пикрате натрия[114,115]. Продолжительность и трудоемкость цветного травления пикратом натрия компенсировалась возможность хорошо выявлять дендриты в обеих зонах без «перетравливания» зоны усадочной пористости стали ЙОГ 13Л. Для выявления дендритной структуры углеродистой стали 40 использовали реактив Обергоффера.
Полагали, что эти сравнительно легко визуально различимые отличия дендритных параметров могли иметь объективную причинно-следственную связь с механизмами роста и огрубления дендритов как бы оставившими следы в окончательно затвердевшем металле.
Целенаправленно выполняли поиск дендритных кристаллов, вершины которых вблизи усадочной пористости были заблокированы ветвями других дендритов, вследствие чего в них могло начаться огрубление, которое, однако, вскоре прерывалось объемной усадкой расплава. То есть, фиксировалась не прерванная кристаллизация, где рост был заблокирован, а именно прерванное огрубление дендритов.
В этих исследованиях, сопоставлением дендритных параметров при вершине кристалла с параметрами ветвей у его основания, надеялись выявить последовательные стадии диффузионного процесса нарастания огрубления ветвей в зависимости от характера нарушения контакта с жидкостью вершины дендрита. Для снижения трудоемкости таких исследований и, в частности, травления и, соответственно, ускорения поиска подходящих дендритов, применяли образцы марганцевой стали специально науглероженной при плавке до превращения ее в сплав ледебуритного класса (С 2%), легко травящийся на дендриты обычным ниталем. і
Все измерения дендритных параметров выполняли либо непосредственно с помощью металлографических микроскопов «Neophot-21» и МБС-9, либо на снимках дендритных структур, полученных на этих же микроскопах, при различных увеличениях.
Для обеспечения большей надежности и точности измерений, связанных с исследованием механизма огрубления дендритов, использовали крупные столбчатые кристаллы стальных слитков, вырезанные так, что в каждом кристалле сохранялась вершина, проникающая в полость усадочной раковины, и основание, расположенное в плотном металле.
Всего, для выполнения таких дорогостоящих и трудоемких исследований, было вырезано 15 столбчатых кристаллов из темплета 8,5 тонного слитка углеродистой стали 40.
Основное преимущество данных исследований заключалось в возможности анализировать предполагаемые изменения дендритных параметров в пределах конкретных единичных дендритов. В то же время, существенные размеры пирамидальных вершин, проникающих в усадочную раковину - зона прерванной кристаллизации, и оснований из монолитного металла - зона штатной кристаллизации, с множеством ответвлений от главной оси дендрита, обеспечивали достаточную базу данных для статистической обработки 1-результатов измерения дендритных параметров. Предполагали, что такой методический подход к проблеме огрубления дендритных кристаллов позволит не только сформулировать принципиально важные вопросы, касающиеся данной проблемы, но и получить на них вполне определенные ответы, «зашифрованные» в конкретных изменениях трех дендритных параметров, а именно, - ід, X, Гд.
Исследование отдельных дендритных кристаллов на разных стадиях их огрубления
Несмотря на кратковременность эффекта огрубления в стали, явно диффузионный характер этого явления, в принципе, не исключает возможности визуализировать разные его стадии и проследить последовательность их протекания в отдельных дендритных кристаллах.
Предпринятые исследования термических узлов отливок из стали 110Г13Л, доведенной присадками углерода до ледебуритного класса, позволили выявить очень редкие дендритные кристаллы, вершины которых, проникая в полости усадочной пористости, прекратили рост либо из-за механической блокировки, либо вследствие потери контакта с жидкой фазой. В некоторых из таких кристаллов процесс огрубления хотя и начинался, но проходил не полностью до потери контакта вершины с жидкой фазой.
Для решения поставленной задачи наибольшую информацию могли представлять вершины дендритных кристаллов, попавшие в плоскость шлифа, благодаря их декорированию усадочными порами. Так, например, в дендритном кристалле (рис. 3.3) рост вершины прекращен вследствие механической блокировки, а также из-за потери контакта с жидкой фазой.
Дендритный кристалл с периодически возрастающими расстояниями между ветвями вершины, вследствие разного времени их огрубления. Логично предположить, что механическая блокировка роста инициировала начало огрубления дендритных ветвей вершины, которое последовательно прерывалось (на снимке справа налево) отступающей жидкой фазой. Именно такое направленное нарушение контакта ветвей вершины с расплавом могло послужить причиной приобретения дендритным кристаллом совершенно нетипичной для стали морфологией с уменьшающимися дендритными параметрами по мере приближения к вершине дендрита. Продолжительность же огрубления ветвей, начиная от вершины, постепенно увеличивалась в каждом последующем периоде.
В кристалле, изображенном на рис.3.4, рост вершины также остановлен путем механической блокировки. Так же, как и в предыдущем кристалле, начавшееся огрубление было остановлено вследствие потери контакта ветвей с жидкой фазой, но эта остановка коснулась только 5-ти самых верхних ветвей и они не завершили процесс своего огрубления. Две следующие пары ветвей второго порядка, хотя и оказались внутри усадочной поры, успели полностью завершить процесс огрубления, значительно увеличив и толщину и расстояния между ветвями.
Дендритный кристалл с вершиной внутри усадочной полости, некоторые ветви которой успели закончить процесс огрубления. Последнее хорошо иллюстрирует тот факт, что процесс огрубления и начинается и заканчивается только при наличии жидкой фазы. В противном случае, полностью огрубившиеся ветви не смогли бы оказаться окруженными усадочной полостью.
Так, расположенные снизу дендритные ветви второго порядка, контактирующие с соседним кристаллом, оказались значительно толще их продолжений на границах с усадочной полостью (сверху на снимке). Уникальность рассмотренных фотографий состоит в том, что в плоскость шлифа попали полностью и дендриты, и их вершины. Именно это обстоятельство и позволяло воссоздать реальную последовательность процес ов остановки роста исследуемых дендритов, а также начала и прекращения их огрубления.
Методические сложности выявления таких дендритных кристаллов, являющихся, по существу, миниатюрными копиями дендритов Чернова, тем не менее, не помешали получить снимки дендритов, вершины которых проникли в усадочные полости и, соответственно, ветви на вершинах у таких кристаллов претерпели разные степени огрубления.
На рис.3.6,а, вершина дендритного кристалла полностью окружена усадочной порой. Она как бы зафиксирована в момент роста, отступившей жидкостью и, вероятно, совсем не подверглась действию эффекта огрубления ветвей из-за отсутствия контакта с жидкой фазой. Разница в величинах дендритных параметров X на вершине и в основании кристалла максимальна.
Как следствие, огрубление ветвей полностью прошло только в зоне штатной кристаллизации, а на вершине началось, но из-за дефицита жидкой фазы вскоре было прервано. Соответственно, разница в величинах дендритного параметра X на вершине и в основании этого кристалла оказалась существенно меньшей, чем у приведенного на рис.3.6,а.[117]
На рис.3.6, в представлен кристалл, дендритный рост которого так же был остановлен механическим препятствием. Дендритные ветви у вершины в значительной мере претерпевали огрубление; можно сказать, что огрубление практически завершилось, но процесс был остановлен в самый последний момент удалением жидкой фазы из межзеренных прослоек.
На снимке видно, что вершина кристалла была заблокирована и прекратила свой рост, тогда как ее ветви, контактировавшие с жидкой фазой, начали огрубляться. Только перед завершением процесса затвердевания, удалением последних порций жидкой фазы в междендритных промежутках было прервано и огрубление ветвей. В этом кристалле огрубление ветвей у вершины достигло значительного развития. Соответственно, и разница в дендритных параметрах X и толщинах ветвей в основании и у вершины кристалла оказалась самой небольшой.
Таким образом, диффузионный характер процесса огрубления дендритов действительно удалось проиллюстрировать фотографиями отдельных кристаллов, у которых ветви при вершинах зафиксировали разные стадии этого процесса. Анализ приведенных на рис.3.3-3.6 дендритных кристаллов свидетельствует о том, что огрубление дендритов начинается после завершения дендритного роста или при вынужденном ограничении роста, отдельного дендрита, но обязательно в контакте с жидкой фазой.
Во всяком случае, продолжительность процесса огрубления дендритных ветвей невелика, и, очевидно, он прекращается с началом затвердевания междендритной жидкости или еще раньше, при потере контакта дендрита с жидкой фазой.
Эффект огрубления дендритных кристаллов аустенитной стали 110Г13Л возникает в ограниченном температурно-временном интервале кристаллизации между завершением дендритного роста и началом затвердевания междендритной жидкости.
Таким образом, впервые в отдельных кристаллах удалось визуально зафиксировать разные стадии реализации эффекта огрубления ветвей, диффузионный механизм которого был в разное время прерван объемной усадкой металла. При этом, чем позже объемная усадка нарушала контакт огрубляющихся ветвей с жидким металлом, тем в большей мере был реализован эффект огрубления ветвей на вершинах дендритов.
Анализ затвердевания междендритных пространств в зоне прерванной кристаллизации
Исследование пирамидальных вершин столбчатых кристаллов показало, что постепенное понижение уровня жидкого металла в усадочной раковине проявляется в том, что расплав, «нависший» на вершине кристалла, по какой-то причине не обеспечивает развитие эффекта огрубления в контактирующих с ним дендритных ветвях, и они вынужденно сохраняют первоначальное строение. Принципиальный характер отличий прерванной и обычной кристаллизации закономерно приводит к огрублению дендритных ветвей только в штатно затвердевающей части кристалла.
Однако, если эффект огрубления дендритов в процессе затвердевания сталей і, сплавов известен, хотя и недостаточно изучен, то причины отсутствия огрубления дендритов в частях кристалла Чернова, выступающих в полость раковин, остаются во многом неясными. Во всяком случае, разница во времени контакта дендритов с жидкой фазой во всех частях кристалла сравнительно невелика (если не считать самые верхние ветви).
Причины отсутствия огрубления дендритных ветвей в частях кристаллов Чернова, проникающих в усадочные полости, требует более подробного анализа, опирающегося не только на приведенные структуры, но и на физические представления о прекращении дендритного роста вследствие объемной усадки и образования вокруг дендритных вершин пустоты.
Если схематически изобразить столбчатый кристалл в момент формирования усадочной раковины, то жидкий металл должен постепенно обнажать его вершину (рис 4.4), последовательно в слое за слоем прекращая рост дендритных ветвей. Находящиеся ниже уровня расплава ветви продолжают расти.
Таким образом, создается ситуация, при которой в верхних по заливке слоях дендритного каркаса рост остановлен и они могли бы начать огрубление, если бы сохранилась в них жидкая фаза, но она затвердевает, не давая огрублению шансов, а в нижних слоях продолжается рост, и, пока он идет, огрубление дендритов также не происходит. Картина не меняется качественно при последовательном понижении уровня металла в усадочной раковине.
Как только уровень металла опустится ниже верхней поверхности пирамидальной вершины столбчатого кристалла, дендритный рост в поверхностном слое прервется, а расплав под воздействием гравитационных сил и разряжения частично втянется внутрь и затвердеет, придавая развитый дендритный рельеф верхней поверхности. Напротив, на нижней по заливке поверхности, ограничивающей зону прерванной кристаллизации, формируется наименее глубокий рельеф.
Этот процесс достаточно четко проявляется практически в каждом столбчатом кристалле, позволяя по глубине дендритного рельефа различать в пирамидальных вершинах верхние и нижние, а, следовательно, и боковые поверхности рис.4.5, подтверждая тем правильность отраженной на схеме (рис.4.4) причины отсутствия огрубления ветвей в зонах прерванной кристаллизации.
Послойное, сверху вниз, понижение уровня жидкого металла в раковине (рис.4.4) и, соответственно, внутри каркаса дендритных ветвей зоны прерванной кристаллизации, зачастую способствует образованию горизонтально ориентированных усадочных пор в объемах пирамидальных вершин, подобных приведенным на рис. 4.6. Рис. 4.6 Усадочные поры в зонах прерванной кристаллизации.
Важным следствием выполненного анализа является тот факт, что характерная для дендритов Чернова форма вершин столбчатых кристаллов и относительная заполненность в них междендритных пространств, тем не менее, не дают оснований считать, что междендритная жидкость после вынужденного прекращения роста дендритных ветвей сохраняет хоть ненадолго способность оставаться жидкой.
Послойное прерывание дендритного роста в объемах пирамидальных вершин по существу совпадает с послойным затвердеванием в этих слоях междендритной жидкости, что полностью исключает возможность протекания в пирамидальных вершинах эффекта огрубления дендритных ветвей.
В отличие от этого в зоне штатной кристаллизации к моменту завершения дендритного роста междендритная жидкость, окружающая кристалл, сохраняет определенный перегрев, оставаясь жидкой в течение всего периода, обеспечивающего протекание эффекта огрубления дендритов.
Таким образом, условия кристаллизации дендритов и междендритной жидкости в зоне прерванной кристаллизации принципиально отличаются от аналогичных процессов зоны штатной кристаллизации.
В работах, иллюстрирующих дендриты, извлеченные из усадочных раковин слитков [5,69], известные как кристаллы Чернова, строение этих же дендритов со стороны плотного металла не рассматривалось. Вместе с тем, такая информация, несомненно, может представлять интерес для лучшего понимания природы сравнительно мало изученного процесса огрубления дендритов[2,5,19]. Именно такие исследования были выполнены ниже.
Измеряли толщины дендритных ветвей в плотном металле, сопоставляя их с соответствующими толщинами ветвей в каждом конкретном кристалле, примерно на равном удалении, от зоны прерванной кристаллизации. Рис.4.7
Большое количество пригодных для подобных измерений мест у каждого дендритного кристалла обеспечивало вполне достаточную базу для статистической обработки результатов измерений толщин дендритных ветвей. Последнее имело большое значение в связи со сложностью достоверного измерения именно этих дендритных параметров, без статистической обработки которых можно было бы говорить только о качественной стороне подобной оценки, то есть толще или тоньше.
В конденсированных системах, какими являются жидкие металлы, различия между свободной энергией Гельмгольца F=f(T,V)=US при отсутствии термической изоляции системы и свободной энергией Гиббса G=f(T,P)=U+PVS при отсутствии термической и механической изоляции крайне невелики, особенно при низком давлении. Поэтому можно, не обращая внимания на индекс F, G или даже Z - термодинамический потенциал, отметить четко выраженную функциональную связь любых значений свободной энергии F, G, Z с концентрационными характеристиками сплавов. Рис.4.9 б. [12,121,122]
С учетом связи свободной энергии с концентрационной характеристикой сплавов, применение общих положений термодинамики (второй закон AF 0) к эффекту огрубления дендритов может быть основано на анализе изменений свободной энергии и поверхностного натяжения в зависимости от химического состава сплава. Другими словами, по кривой свободной энергии бинарной системы сплавов, например, сильно выпуклой к оси абсцисс, как это изображено на рис.4.9 б, можно прогнозировать степень огрубления дендритных структур, а именно, чем больше F, тем выше метастабильность дендритных ветвей и интенсивность их огрубления у данного сплава.
