Схема строения стального слитка и макроанализ

Материаловедение. Отчёт. 

Слиток литой  стали является неоднородным в разных своих частях как по химическому  составу, так и по внутреннему  кристаллическому строению и механическим свойствам. Он содержит неметаллические  включения, пустоты, пузыри, раковины. Все это является дефектами слитка, и чем более полно будут устранены те или иные дефекты, тем более высокими свойствами будут обладать как слиток, так и изготовленные из него детали.

 При отливке  слитка в специальную форму  (изложницу) сталь из жидкого  состояния переходит в твердое, т. е. происходит процесс первичной кристаллизации. Процесс затвердевания не может идти одновременно во всем объеме слитка. Затвердевание начинается у тех мест, где происходит отвод тепла - у стенок, дна и с поверхности, и затем распространяется внутрь слитка. В связи с этим в охлажденном слитке наблюдаются области (зоны) с различным строением кристаллов - зерен.

 Исследование  строения стального слитка впервые  было проведено Д. К- Черновым  и опубликовано им в 1878 г.

 Схема строения стального слитка.

 Как видно  из приведенной схемы, в слитке  образуются три структурные зоны. Первая, наружная, зона 1 - мелкозернистая, глобулярная. Эта зона образуется вследствие соприкосновения расплавленного металла с холодными стенками изложницы, в связи с чем металл переохлаждается и возникает значительное количество центров кристаллизации.

 Ориентировка  зерен в этой зоне самая  разнообразная. Распространяется  эта зона на небольшую глубину.

 Вторая зона 2 характеризуется образованием  крупных удлиненных, так называемых столбчатых кристаллов, которые растут перпендикулярно стенке изложницы. Такой рост кристаллов называется транскристаллизацией, а образующаяся зона столбчатых кристаллов - зоной транскристаллизации.

 Зона 3 состоит  из различно ориентированных кристаллов, размер которых может быть различный, но всегда больший, чем кристаллы первой зоны.

 Крупные кристаллы,  образующиеся во второй и третьей  зонах, называются дендритами, древовидными  кристаллами (от греческого слова  дендрон-дерево).

 Особенно непрочными являются места встречи между собой дендритов, растущих от разных стенок изложницы. В этих местах скапливаются также различные дефекты - пустоты, неметаллические включения и т. п.

 Если сопоставить  процесс роста дендрита с процессом  кристаллизации, то будет ясно, что дендрит получается неоднородным по содержанию углерода. Наиболее бедными углеродом будут главные оси дендрита, так как они затвердевают в первую очередь, и наиболее богатыми углеродом будут междуосные пространства, так как они затвердевают в последнюю очередь. Такое неравномерное распределение углерода (а также и других примесей - Si, Mn, S и Р) в пределах дендрита - дендритная ликвация - в той или иной степени свойственно любому слитку. Если в пределах каждого дендрита наблюдается неоднородность химического состава, то в слитке в связи с кристаллизацией по зонам будет происходить ликвапия, называемая зональной (макроскопической). Явление ликвации впервые обнаружили в 1866г. русские инженеры А. С. Лавров и Н. В. Калакуцкий. Скапливаются примеси в центре, в верхней части слитка. Из примесей, находящихся в стали (Si, Mn, S и Р), наиболее ликвирующими являются примеси S и Р. Это объясняется тем, что они имеют очень большой температурный интервал затвердевания.

 Ликвация  главного компонента - С - меньше, чем S и Р, и почти совершенно не ликвируют Si и Мп.

 При затвердевании  слитка происходит переход жидкого  металла в твердое состояние,  что сопровождается сокращением  объема стали. Схема образования усадочной раковины:

 (а); усадочная раковина открытая (б) и закрытая (в).

 называемое  усадкой. Усадка не может происходить  за счет общего понижения уровня  металла, так как затвердевание  слитка начинается у стенок  и дна изложницы и с поверхности. Под усадочной раковиной обычно располагаются мелкие усадочные раковинки (поры), которые создают общую зону, называемую усадочной рыхлостью. Образование усадочной рыхлости связано с выделением растущими кристаллами отдельных замкнутых объемов металла, в которых происходит своя местная усадка и образуются мелкие раковины, а перемешивание таких участков с затвердевшими дендритами создает рыхлую пористую массу.

 Под усадочной  раковиной располагается также  ликвационнная зона. Та часть  слитка, в которой расположена  усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвационная зона, является дефектной частью, не может быть использована для изготовления деталей и должна быть отделена от здоровой части слитка.

 Величина, форма  и расположение усадочной раковины, наличие большей или меньшей  усадочной рыхлости зависит от  величины (коэфициента) усадки, которая различна для различных металлов и сплавов, а также от величины слитка, формы изложницы, способов литья и охлаждения слитка.

 Чем глубже  распространяется в слитке усадочная  раковина, тем больше потери металла,  и поэтому естественно стремление получить слиток, в котором как усадочная раковина, так и другие дефекты занимали бы определенный и наименьший объем слитка, так называемую прибыльную часть. Целесообразнее всего расположение прибыльной части вверху слитка, а чтобы усадочная раковина не распространялась глубоко в тело слитка, принимают меры, которые способствуют сохранению жидкого металла в прибыльной части. Такими мерами являются изготовление изложницы с более толстой нижней частью и более тонкой верхней частью, изготовление прибыльной части из материала, плохо проводящего тепло, засыпка сверху жидкого металла нетеплопроводным материалом (песок, уголь), постепенная доливка в изложницу свежего чистого металла и др. Прибыльная часть с находящимися в ней дефектами отрезается от здоровой части (тела) слитка.

 К дефектам  слитка относятся также газовые  пузыри, которые образуются за  счет большого количества газов,  растворенных в жидкой стали.  Часть этих газов при затвердевании  удаляется, а часть остается  внутри слитка и образует газовые пузыри. Наличие в жидком металле тазов, главным образом Н2, СО, N2, СО2 и СН4, объясняется тем, что в процессе плавки расплавленный металл поглощает печные газы и воздух; в процессе плавки внутри расплавленного металла протекают химические реакции между парами воды, находящимися в печных газах, и расплавленным металлом, а также между обмазкой изложницы и расплавленным металлом, в результате которых образуются газы. В процессе разливки металла в изложницы газы механически увлекаются из атмосферы струей жидкого металла.

 Особенно  большое количество газов имеет  сталь, недостаточно раскисленная, содержащая значительное количество  окислов железа, при наличии которых  протекает реакция

FeO-f-C = Fe

Выделяющееся  большое количество СО производит такое  впечатление, как будто сталь кипит, почему она и получила название кипящей стали.

 Газовые пузыри  могут располагаться в зоне  усадочной рыхлости, но могут  также возникать вблизи поверхности  слитка. Такие пузыри, называемые  подкорковыми или сотовыми, являются  наиболее нежелательными и опасными. При последующей горячей механической обработке пузыри, наиболее близко расположенные к поверхности слитка , разрываются, поверхность их, соприкасаясь с воздухом, окисляется, при дальнейшем деформировании они не завариваются и в результате на поверхности образуются раковины и трещины. Если пузыри при деформировании не соприкасаются с воздухом и не окисляются, то они хорошо завариваются, давая здоровый сплошной металл.

 Вокруг газовых  пузырей, расположенных в ликвационной  зоне, часто наблюдаются ликвационные места - так называемая газовая ликвация, заключающаяся в том, что газовые пузыри частично или полностью заполняются (путем засасывания) маточным раствором, обогащенным примесями.

 Для уменьшения  газонасыщенности стали и образования газовых пузырей в расплавленный металл добавляют раскислители или успокоители, которыми являются кремний, марганец, алюминий, титан.

 Эти элементы  химически взаимодействуют с  газами и образуют твердые соединения - оксиды (SiO«, МпО, А12О3), нитриды (A1N, TiN) и др., которые, всплывая на поверхность металла, удаляются в шлак или остаются внутри металла.

 Кроме образующихся  при раскислении окислов и  нитридов, к неметаллическим включениям, находящимся в стали, относятся сульфидные включения (MnS, FeS) и шлаки (сложные кремнекислые, фосфорнокислые и другие соединения), попадающие в металл в виде частиц огнеупорного материала, которым выложена печь, желоб для выливания стали, ковши и пр.

 Форма и  расположение неметаллических включений в большой степени зависят от температуры их плавления. Легкоплавкие неметаллические включения (например, FeS) располагаются по границам зерен, а тугоплавкие (например, MnS) затвердевают раньше стали, находятся в ней во взвешенном состоянии, часто являются центрами кристаллизации, отталкиваются растущими дендритами вверх и внутрь слитка, наиболее густо располагаются между столбчатыми и равноосными кристаллами, образуя конусную поверхность (так называемые усы). 

 Опасным дефектом, могущим возникнуть в слитке, являются трещины. Образование трещин большей частью связано с возникающими в слитке внутренними напряжениями, обусловленными усадкой при затвердевании и сокращением объема при последующем охлаждении. Для стали внутренние напряжения увеличиваются за счет структурных превращений в твердом состоянии, на что особенное влияние оказывает скорость охлаждения. Недостаточно медленное охлаждение особенно крупных слитков вызывает значительную разность температур между наружными и внутренними областями слитка и появление в связи с этим сильных внутренних напряжений. Поэтому слитки должны медленно охлаждаться или сразу после затвердевания, еще не остывшими, направляться для нагрева перед горячей механической обработкой. 

Излом- поверхность которая образовалась вследствие разрушения металла. Различают вязкое и хрупкое разрушения. Вид разрушения зависит от многих факторов: состава металла, его структурного состояния, условий нагружения и температуры. Вид разрушения вязкий или хрупкий определяют в результате изучения изломов. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Вязкое разрушение происходит срезом под действием касательных напряжений и сопровождается значительной пластической деформацией. Для вязкого разрушения характерен волокнистый (матовый) излом детали или образца. Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. 

Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом. Хрупкому разрушению предшествует пластическая деформация до достижения трещины критического размера и затем хрупкое бездислокационное разрушение. Хрупкое разрушение – это самопроизвольный процесс. 

Возникновение микротрещин при вязком и хрупком разрушениях происходит путем скопления дислокаций перед границами зерен или другими препятствиями (неметаллические включения, карбидные частицы, межфазовые границы), что приводит к концентрации напряжений. При анализе микроструктуры различают транскристаллитное (по телу зерна) и интеркристаллитное (по границам зерен) разрушения. Разрушение металла в условиях эксплуатации конструкций и машин может быть не только вязким или хрупким, но и смешанным – вязкохрупким. 

Материалы разрушаются по разному в случаях усталости и при однократных нагрузках. Разрушение характеризуется отсутствием в изломе внешних признаков пластической деформации, т. е. в целом усталостный излом имеет характер хрупкого излома. Однако в микрообъемах и тонких слоях сечения нагруженного образца могут быть пластические деформации, которые приводят к зарождению трещин. Данные трещины, постепенно развиваясь и распространяясь, приводят к окончательному разрушению материала. В случае усталостного нагружения начало пластической деформации, вызванное движением дислокаций, может быть при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения увеличивается плотность дислокаций, в первую очередь, в поверхностных слоях. Тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в характерные полосы, профиль которых представлен в виде выступов и впадин. Глубина впадин в зависимости от времени испытания может достигать 10–30 мкм. При образовании устойчивых полос скольжения происходит чередование областей с высокой и низкой плотностью дислокаций. 

Усталостные трещины  зарождаются в поверхностных  впадинах. Один из возможных механизмов образования выступов и впадин связан с круговым движением винтовых дислокаций. Винтовая дислокация перемещается из одной плоскости в другую по замкнутому контуру при помощи поперечного скольжения. В итоге дислокация выходит на поверхность, на которой образуются выступы и впадины. 

Микротрещины  при циклическом нагружении зарождаются  на начальной стадии испытания за счет притока вакансий и последующего возникновения и слияния микропор. В образце может образоваться большое количество микротрещин. Но в дальнейшем развиваются не все микротрещины, а лишь те, у которых имеются наиболее острые вершины и которые наиболее благоприятно расположены по отношению к действующим напряжениям. К окончательному разрушению образца приводит самая длинная, острая и глубокая трещина, распространяясь по сечению образца: для усталостного излома образца характерно наличие зоны прогрессивно растущей трещины и зоны окончательного излома. В зоне прогрессивно растущей трещины наблюдаются полосы в виде изогнутых линий. Полосы образуются в результате рывков и задержек движения трещины вследствие упрочнения металла у ее основания и расширения ее фронта. На процесс разрушения при циклических нагрузках существенное влияние оказывают концентраторы напряжений. Концентраторы напряжений могут быть конструктивными (резкие переходы от сечения к сечению), технологическими (царапины, трещины, риски от резца), металлургическими (поры, раковины). Независимо от своего происхождения концентраторы напряжений в той или иной степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне переменных напряжений. Для оценки влияния концентратора напряжений на усталость испытывают гладкие и надрезанные образцы при симметричном цикле напряжений. Надрез на образце выполняется в виде острой круговой выточки.