Литая структура стали

Все стальные изделия проходят стадию затвердевания из жидкого состояния в твердое. Даже те из них, которые изготавливались методами порошковой металлургии, так все стальные порошки также производятся из жидкого металла. Поэтому процесс затвердевания влияет на свойства всех стальных изделий.

Три фактора литой структуры

Процесс затвердевания стального слитка оказывает сильное влияние на следующие три важных  фактора качества литого слитка:

  • Микросегрегация легирующих элементов, карбидов и включений.
  • Микроструктура (размер зерна, форма зерна и типы фаз.
  • Уровень пористости в литом металле.

Для процесса литья стали является обычным сильная микросегрегация, большой размер зерен и значительная пористость. Все это ведет к снижению механических свойств стального литья. Все указанные выше три свойства литого металла значительно улучшаются путем интенсивной горячей пластической обработки, такой, как ковка или прокатка. Поэтому стальной прокат и стальные поковки обычно имеют более высокие механические свойства, чем литая сталь.

Фронт затвердевания

Когда материал затвердевает из жидкой фазы, возникает твердый фронт, которые продвигается в жидкость. Форма этого твердого фронта играет важную роль в контролировании трех важнейших факторов качества стального слитка, указанных выше.

Процесс затвердевания слитка в изложнице схематически показан на рисунке 1. Слева показана изложница, которую наполнили жидкой сталью и позволили ей охлаждаться. На рисунке показан момент, когда твердый фронт прошел внутрь около трети всего пути к центру слитка. Поскольку тепло отбирается и ото дна, и от стенок изложницы, твердый фронт растет примерно одинаково как от дна, так и от стенок изложницы. Поскольку твердая фаза является более плотной, чем жидкая, происходит усадка затвердевшей стали. Это приводит к уменьшению высоты слитка по мере продвижения фронта затвердевания к центру изложницы.

zatverdevanie-stalnogo-slitka+Рисунок 1 – Фронт затвердевания в стальном слитке

Дендриды в стали

Справа рисунка 1 показаны выноски сечения фронта затвердевания. Можно было бы ожидать, что форма фронта затвердевания является плоской, как это показано на выноске А рисунка 1. Для очень чистых металлов это, в принципе, верно, а для сталей и практически всех металлических сплавов – нет. Фронт затвердевания на самом деле состоит из множества малых ветвистых структур, которые, как многие считают, выглядят как сосны, врастающие в жидкость. При этом их ветви растут перпендикулярно стволу, как это показано на выноске B рисунка 1. Каждая такая маленькая древообразная структура называется «дендридом», что по-гречески означает «дерево». Если бы жидкий метал был прозрачным, то вид при взгляде перпендикулярно фронту затвердевания, был бы таким как это показано на выноске С. Это вид был бы похож на тот, который видят пролетая над плантацией сосен. Однако, конечно, отдельные дендриды очень маленькие и чтобы их увидеть, нужна, как минимум, увеличительная лупа.

Междендридное расстояние

Междендридное расстояние – расстояние между дендридами — зависит от того, как быстро двигается фронт затвердевания. А скорость его продвижения зависит от того, как быстро отбирается тепло от жидкого металла. На рисунке 2 расстояние междендридное расстояние – расстояние между главными стволами — обозначено латинской буквой d. В больших стальных слитках, которых охлаждаются медленно, междендритное расстояние может составлят 1 мм (1000 мкм). При непрерывной разливке стали, когда тепло отнимается весьма интенсивно, междендритное расстояние в стали составляет около 300 мкм. При сварке стали, когда возникает малая жидкая ванна жидкой стали, охлаждение происходит еще быстрее. Поэтому междендридное расстояние в этом случае может быть около 100 мкм.

dendridy-stali+Рисунок 2- Три железных дендрида,
растущие вертикально в жидкость в ходе затвердевания

Дендридные стволы

Диаметр главных дендридных стволов меньше расстояния между ними приблизительно в десять раз. Диаметр человеческого волоса составляет примерно 50 мкм. Поэтому большинство дендридов имеют стволы размером, который равен или даже меньше человеческого волоса. Эти крошечные дендриды играют огромную роль для первого и третьего факторов качества стальных слитков – микросегрегации и пористости, но почти не влияют на второй фактор – микроструктуру стали.

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007