Лекция 9 4 Условия получения мелкозернистой структуры 5

Лекция 9 4. Условия получения мелкозернистой структуры 5. Строение стального слитка Методы изучения строения материалов Lk 9_OM i TM 1

4. Условия получения мелкозернистой структуры мелкозернистая структура – это хорошо! Max ЧЦ + Min СК. модификаторы стенки изложниц числа частичек нерастворимых примесей (это ЦЗ - оксиды, нитриды, сульфиды) Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации. Поверхностно активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, Lk 9_OM i TM препятствуют их росту. 2

5. Строение стального слитка 3 2 1 0 4 1 0 1 2 3 Рис. Схема строения стального слитка: а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка; 0 — стенки изложницы, 1 - мелкие равноосные кристаллы, 2 ~ древовидные кристаллы, 3 - равноосные неориентированные кристаллы больших размеров, 4 - усадочная раковина Lk 9_OM i TM 3

Первая зона – наружная мелкозернистая корка (дезориентированные мелкие кристаллы – дендриты). При соприкосновении с изложницей в тонком слое ж. Ме возникает резкий градиент температур и возникает переохлаждение, ведущее к образованию большого ЧЦ. В результате корка - мелкозернистая. Вторая зона – зона столбчатых кристаллов. После образования корки условия теплоотвода меняются, градиент температур резко уменьшается и уменьшается степень переохлаждения стали. В результате, из небольшого ЧЦ начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы. Третья зона – зона равноосных кристаллов. В центре уже нет определенной направленности отдачи тепла. Температура успевает уравняться в различных точках, и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние. Далее зачатки разрастаются осями – ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого процесса образуется равноосная структура. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15… 20 % от длины слитка) Lk 9_OM i TM 4

Степень развития столбчатых кристаллов будет зависить от: Ø химического состава металла, Øстепени его перегрева, Øот размера слитка, Øскорости разливки, Øформы и толщины изложницы, Øтемпературы стенок изложницы. Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, что приводит к образованию пустот - усадочные раковины: в одном месте либо рассеяны по всему слитка или по его части В спокойной стали - усадочная раковина в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин. В кипящей стали - раковины и пузыри во всем объеме. Спокойный металл поэтому более плотный, чем кипящий. Lk 9_OM i TM 5

Методы изучения строения материалов 1. Определение химического состава Методы количественного анализа: 1. 1. Спектральный анализ - если не требуется большой точности, основан на разложении и исследовании спектра электрической дуги или искры, искусственно возбуждаемой между медным электродом и исследуемым металлом. Цвет и концентрация линий спектра позволяют определить содержание хим. элементов (стационарные и переносные стилоскопы). 1. 2. рентгеноспектралъный анализ - более точные сведения о составе, определяет состав фаз сплава, характеристики диффузионной подвижности атомов (микроанализаторы). Lk 9_OM i TM 6

2. Структурный анализ макроструктура, микроструктура и субмикроструктура материалов. 2. 1. Макроструктурный анализ - изучение структуры Ма визуально или с до 50: изломы –можно увидеть крупное зерно, грубая волокнистость, трещины, раковины и т. п. Другим способом макроисследования является изучение строения металлических материалов на специальных темплетах (образцах). После травления спец. растворами шлифа темплета выявляется кр. структура, волокнистость, дендритное строение, неоднородность металла Излом бронзовой отливки (х50) Lk 9_OM i TM 7

2. 2. Микроструктурный анализ - при помощи световых микроскопов, от 50 – 2000, обнаруживает элементы структуры размером до 0, 2 мкм. Образцами - микрошлифы с блестящей полированной поверхностью, так как структура рассматривается в отраженном свете: микротрещины и неметаллические включения. Для выявления микроструктуры поверхность травят реактивами, зависящими от состава сплава. Рис. Микроструктура литейной легированной стали (х500) Для анализа субмикроструктуры (структуры внутри зерен), кроме световых микроскопов, используют электронные микроскопы с большой разрешающей способностью ( до миллиона). Изображение формируется при помощи потока быстро летящих электронов: детали размерам до межатомных расстояний. Lk 9_OM i TM 8

В просвечивающем электронном микроскопе поток электронов проходит через объект. Изображение является результатом неодинакового рассеяния электронов на объекте. При прямом методе изучают тонкие металлические фольги до 300 нм, на просвет. Для идентификации фаз, присутствующих в материале, применяется дифракционный анализ с использованием темнопольной методики Изображение тонкой структуры материала - светлопольное изображение используется для анализа строения субзеренной структуры, характера расположения дефектов кристаллического строения, оценки внутренних напряжений. Субзерна феррита в стали 20: а - светлое поле; б - темное поле в рефлексе [110] -Fe; в микроэлектронограмма (х50000). Lk 9_OM i TM 9

В растровом электронном микроскопе изображение создается за счет вторичной эмиссии элетронов, излучаемых поверхностью, на которую падает непрерывно перемещающийся по поверхности поток первичных электронов: поверхность Ме, чаще всего изломы. Разрешающая способность несколько ниже, чем у просвечивающих микроскопов. Рис. Изображение излома поверхностного слоя титана, полученное растровой с помощью электронной микроскопии (х 1000) Lk 9_OM i TM 10

Атомно-силовой микроскоп основан на принципе взаимодействия между поверхностью образца и острой W-иглой длиной в несколько мкм, закрепленной на свободном конце кантилевера (кронштейна). Межатомные силы между иглой и атомами поверхности образца заставляют кантилевер изгибаться. Измеряя отклонение кантилевера в ходе сканирования иглой поверхности, получают картину топографии поверхности, получая карту поверхности в нанометровом или атомном масштабе. Lk 9_OM i TM 11

2. 3. Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел - рентгеноструктурный метод анализа - определяет качественный и количественный фазовый состав сплавов, особенности субструктуры, тип твердых растворов, параметры кристаллических решеток, плотность линейных дефектов, микронапряжения и др. Метод основан на эффекте упругого взаимодействия рентгеновского излучения с Ма. Взаимодействие волны с атомами кр. решетки приводит к ее дифракции и преимущественному рассеянию в некоторых направлениях. Направление (углы) и интенсивность дифракционных максимумов (рефлексов) определяют параметры кр. решетки и др. показатели кр. строения. Lk 9_OM i TM 12