В чистых металлах и эвтектических сплавах, а также в сплавах, имеющих состав, соответствующий химическому соединению, при медленном охлаждении кристаллизация происходит при определенной постоянной температуре. Остальные сплавы, как было показано выше, кристаллизуются в некотором интервале температур, определяемом диаграммой состояния (рис. 2.2).
Рисунок 2.3 - Формы роста кристаллов: а - ступенчатая, б - ячеистая, в - дендритная форма роста кристаллов
Основной единицей структуры первичной кристаллизации металла является зерно, характеризуемое единой системой ориентации атомов кристаллической решетки и определенными границами, отделяющими его от соседних зерен.
Форма растущих в расплаве кристаллов зависит от переохлаждения жидкости, направления теплоотвода, содержания примесей в стали и других параметров.
При малых скоростях охлаждения поверхность границы затвердевания получается гладкой с небольшими ступенями при средних развивается ячеистая структура и при больших - дендритная (рис. 2.3). На условия перехода от одной структуры к другой влияют температурный градиент в расплаве и твердой фазе. Чем больше скорость кристаллизации и меньше температурный градиент в расплаве, тем больше вероятность образования дендритной структуры.
В стальных слитках образуется дендритная и ячеистая структура.
Дендритное строение кристаллов в слитке было обнаружено еще Д.К. Черновым в 1868 г. В сравнении с плоским фронтом затвердевания дендритная кристаллизация представляет собой чрезвычайно сложный процесс, связанный с геометрической формой дендритов, диффузией примесей, возможностью движения жидкой фазы в междендритном пространстве, образованием новых неметаллических фаз (неметаллических включений) и ряда других явлений. Дендритная структура влияет на размер зерна и механические свойства литой и деформированной стали. На рис.2.4 приведены фотографии дендритов в крупном стальном слитке, выявленные после глубокого травления металла. Видно, что в строении дендрита выделяется главная ось первого порядка и перекрещивающиеся с ней оси второго, а иногда и третьего порядка.
Рисунок 2.4
Рост дендрита, образующегося на холодной поверхности и выступающего в расплав характеризуется различной скоростью роста отдельных плоскостей кристаллов. Быстро растущие поверхности образуют шип, выступающий в оставшийся расплав. Выделяющаяся в переохлажденный расплав теплота кристаллизации растущего кристалла ухудшает условия роста других близлежащих кристаллов.
Первоначально дендриты очень малы, даже если затвердевание идет сравнительно медленно. Затем, когда процесс затвердевания замедляется, рост продолжают лишь отдельные ветви, оси которых совпадают с направлением теплового потока (рис.2.5). Другие ветви при этом частично растворяются таким образом, что протяженность дендритов значительно увеличивается по мере затвердевания. Окончательная длина дендритов определяется процессом их укрупнения и может составлять величину от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.
Рисунок 2.5
Современные теории опираются на дислокационный рост кристаллов. На поверхности кристалла в месте пересечения винтовой дислокации возникает ступенька, на которой, в сравнении с заполненной плоскостью, имеются более благоприятные условия для образования двухмерного зародыша, что подтверждается наличием на поверхности кристалла спирали роста. Закругление дислокационной линии вызывается постоянной скоростью роста в месте дислокационной линии и снижением скорости роста по мере удаления от нее.
По мере увеличения скорости охлаждения формы различных кристаллов постоянно усложняются. Для малых скоростей охлаждения характерны глобулярные или округлые формы. С увеличением скорости охлаждения формы кристаллов становятся неправильными, а процесс их роста неустойчивым. При дальнейшем ускорении охлаждения возникают и становятся все более четкими дендритные формы, а оси дендритов становятся все более тонкими и расстояния между ними уменьшаются. Наконец, при самых больших скоростях охлаждения оси второго и третьего порядка перестают образовываться и возникают игольчатые формы. Наблюдения за скоростью роста дендритов показывают, что оси их растут с преобладающей продольной скоростью. Причем скорость роста осей первого порядка больше, чем второго, а второго - больше чем третьего.
Общая схема областей и зон в затвердевающем слитке приведена на рис.2.6. Эта схема предполагает последовательную кристаллизацию металла в условиях направленного теплоотвода.
Рисунок 2.6
В первый момент при заливке стали, когда жидкий металл непосредственно контактирует с холодной стенкой изложницы, тонкий слой металла, соприкасающийся со стенкой изложницы, быстро переохлаждается до температуры ниже точки ликвидуса. Это приводит к возникновению и быстрому росту большого числа зародышей кристаллов, которые образуются на различных твердых частицах, в достаточном количестве имеющихся в жидкой стали и служащих атализаторами зарождения. Ширина корковой зоны определяется протяженностью области термического переохлаждения и может составлять величину порядка 5-10 мм.
Возникшее вначале термическое переохлаждение снижается с ростом кристаллов корковой зоны. Когда переохлаждение становится меньше того, при котором действие катализаторов уже не проявляется, возможен рост только существующих кристаллов. В этом случае наиболее благоприятные условия роста создаются лишь для отдельных кристаллов, у которых главные направления роста совпадают с направлением теплоотвода, что приводит к возникновению столбчатой зоны, формирующейся в условиях последовательной кристаллизации.
При этом фронт затвердевания представляет собой двухфазную твердо-жидкую область (выступающие дендриты с заключенной между их осями жидкостью), а ширина двухфазной зоны определяется интервалом температур кристаллизации (распределение в ней твердой фазы зависит от темпа кристаллизации сплава). Если гетерогенное зародышеобразование происходит слабо, а обламывание дендритов минимальное, что имеет место при слабой конвекции и высоком температурном градиенте, то получается направленный рост столбчатых дендритов.
Рост кристаллов столбчатой зоны сопровождается также снятием термического переохлаждения выделяющейся теплотой кристаллизации и повышением концентрации легкоплавких растворимых примесей перед фронтом кристаллизации, что приводит к возникновению концентрационного переохлаждения. Последнее обеспечивает дальнейший рост столбчатых кристаллов, вытянутая форма которых свидетельствует об отсутствии на этом этапе условий для образования новых центров зародышеобразования. По мере развития процесса температурный градиент у фронта кристаллизации уменьшается, а степень концентрационного переохлаждения увеличивается. В результате создаются благоприятные условия для гетерогенного зарождения новых зародышей в объеме расплава с последующим ростом “жизнеспособных” кристаллов (имеющих размер, несколько больший критического) за счет отдачи скрытой теплоты кристаллизации переохлажденному расплаву. С этого момента перед фронтом кристаллизации начинается объемная кристаллизация, образующая вторую двухфазную жидко-твердую область (кристаллы, взвешенные в расплаве).
Кроме того, на этом этапе может наблюдаться механическое обламывание ветвей дендритов, обусловленное движением конвективных потоков жидкой стали и подплавлением некоторых ветвей дендритного каркаса. При этом отделившиеся частицы дендритов образуют жидко-твердую область и служат самостоятельными зародышами кристаллизации.
Таким образом, затвердевание слитка является сложным комплексом физико-химических и теплофизических процессов, изучение которых – необходимая предпосылка для разработки оптимальных технологических режимов производства слитков, обеспечивающих высокий выход годного металла и качество, удовлетворяющее требованиям современным стандартов.
Нервная ткань, состоящая из нейронов и нейроглии, выполняет комплекс наиболее сложных и ответственных функций: в ней возникают слабые электрические импульсы, которые затем передаются в мышцы и органы человека или позвоночных животных. Клетки этой ткани имеют специальное строение. Оно обеспечивает как возникновение процессов возбуждения и торможения, так и их проведение. В нейробиологии есть такое определение: дендриты - это отростки нервной клетки, которые воспринимают и передают информацию к телу нейрона. В данной работе мы ознакомимся с современными представлениями о механизмах передачи в основных отделах нервной системы: головном и спинном мозге, а также изучим строение дендрита как одной из составных частей нейроцитов.
Для этого рассмотрим более детально особенности структуры нейрона, являющегося элементарной единицей нервной ткани.
Как строение нейроцита связано с его функциями
Подтвердили факт высокой специализации и сложного устройства открытой биологической системы, названной нервной клеткой. Она содержит тело (сому), одну длинную ветвь - аксон и множество коротких отростков. Каждый из них соединен с цитоплазмой тела нейрона. Это дендрит. Структура и внешний вид совокупности коротких отростков напоминает крону дерева. По ним к телу нейрона через синапсы поступают биоэлектрические потенциалы от других нервных клеток.
Морфология и типы
Согласно современным исследованиям гистологии, дендриты - это ветвящиеся окончания нейроцита, не только принимающие, но и передающие информацию, закодированную в виде электрических импульсов, по многоканальной системе анатомически и функционально взаимосвязанных нервных клеток. Они содержат большое количество белоксинтезирующих органелл - рибосом. Некоторые виды коротких отростков, например в пирамидальных нейроцитах, покрыты специальными структурами - шипиками.
Согласно классификации, предложенной испанским нейрогистологом С. Рамон-и-Кахалем, два дендрита могут отходить от тела нервной клетки в противоположные стороны (двухполярные нейроциты). Если же дендритов много, то они расходятся от сомы радиально. Такое строение характерно для интернейронов. В мозжечковых клетках Пуркинье отростки выходят из тела нейроцита в виде веера. Каждый дендрит, структура которого трехмерна, отличается от соседних ветвей величиной электрических зарядов, аккумулированных на нем.
На что влияет разветвленность нервных отростков
Тело нейрона является универсальным передающим и одновременно принимающим биологическим объектом. Объем (прежде всего поступающей информации) прямо пропорционален количеству входящих нервных импульсов. Они определяются по степени ветвления дендритного дерева. Поэтому дендриты - это структуры нейроцита, играющие интегративную функцию.
Более того, отростки расширяют площадь контакта нервных клеток между собой. Дополнительное же образование синапсов в разы повышает эффективность работы всех отделов, как головного и спинного мозга, так и нервной системы в целом.
Строение дендрита
На основании изучения микроскопических препаратов нервных клеток установили, что большинство отростков имеют цилиндрическую форму. Их диаметр в среднем составляет 0,9 мкм. Длина дендритов варьирует в широких пределах. Например, звездчатые нейроны серого вещества коры головного мозга имеют короткие (не более 200 мкм) ветви дендритного дерева, тогда как отростки двигательного нейрона, входящего в передние рога спинного мозга, составляют порядка 2 мм.
Специальные образования - шипики, формирующиеся на ветвях нейроцитов, приводят к появлению большого числа синапсов - щелевидных мест контакта с аксоном, дендритом или сомой другого нейрона. Синапсы могут располагаться на теле дендрита и называются стволовыми или же непосредственно на его шипиках. Как мы уже знаем, дендриты - это разветвленные отростки нейроцитов, способные принимать возбуждение. Передача же биопотенциалов происходит в них с помощью молекул химических соединений - медиаторов, например, ГАМК или ацетилхолина. В мембране, покрывающей дендрит, обнаружены ионные каналы, избирательно пропускающие катионы кальция, натрия и калия, участвующие в прохождении нервных импульсов через нейрон.
Как информация поступает в нервную клетку
В процессе передачи электрических зарядов, лежащей в основе возбуждения и торможения, наряду с аксоном участвуют и дендриты. Это которые образуют синапсы с ветвями дендритного дерева других нейроцитов. Опытным путем установлено, что дендриты представляют собой выросты цитоплазмы клетки, покрытые мембраной. В ней возникают слабые электрические импульсы - потенциалы действия.
Благодаря системе коротких отростков одна нервная клетка воспринимает и передает несколько тысяч таких импульсов, генерируемых синапсами. Это не единственная функция дендритов. Они также обрабатывают и объединяют информацию, поступающую в нейроны, что обеспечивает регуляцию и контроль, осуществляемый нервной системой над всеми органами и тканями человеческого организма.
Слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870 - 1880 г. Д. К. Черновым. При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных кристаллографических направлениях. Например, максимальный рост кристаллита металлов и сплавов с кубической решеткой происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих октаэдрическим осям. В результате образуются ветви - оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации определенными углами. При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го порядка, а от них - оси 3-го порядка и т. д. В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита. Остающаяся часть расплава между дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви. Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора - скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации (Смотри ). Закристаллизовавшийся дендрит-литое , выросшее из одного зародышевого центра, с той же кристаллографической ориентировкой. Соседние ветви дендритов могут быть разориентированы на несколько градусов из-за их изгибов и смещения при кристаллизации. Дендритное строение литых зерен металлов и в особенности сплавов хорошо выявляется при травлении микрошлифов и просмотре их с помощью светового микроскопа.
Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .
Синонимы :Смотреть что такое "Дендрит" в других словарях:
ДЕНДРИТ - (греч. dendrites, от dendron дерево). Камень, преимущественно известняк, с природными древовидными изображениями на нем. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ДЕНДРИТ греч. dendrites, от dendron, дерево.… … Словарь иностранных слов русского языка
Дендрит - [δένδρον (δендрон) дерево] древовидные агр., б. ч. фигуры роста, состоящие из отдельных сросшихся друг с другом в параллельном или двойниковом положении кристаллических индивидов (иногда из скопления… … Геологическая энциклопедия
дендрит - агрегат, кристалл, отросток Словарь русских синонимов. дендрит сущ., кол во синонимов: 4 агрегат (34) … Словарь синонимов
дендрит - Выросший из расплава кристаллит с древовидным строением. Дендритный рост кристаллов реализуется в большинстве случаев, напр, при литье слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в… … Справочник технического переводчика
ДЕНДРИТ - ветвящийся отросток нервной клетки (нейрона), воспринимающий сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или непосредственно от внешних раздражителей. Проводит нервные импульсы к телу нейрона. Ср. Аксон … Большой Энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - ДЕНДРИТ, короткий разветвленный отросток нервной клетки (НЕЙРОНА). Он переносит импульсы внутрь клетки и передает импульсы другим нервным клеткам через короткие каналы, называемые СИНАПСАМИ. У одного нейрона может быть несколько дендритов … Научно-технический энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - [дэ], дендрита, муж. (от греч. dendron дерево). 1. Разветвляющийся отросток нервной клетки (анат.). 2. Кристаллическое образование древовидной формы (минер.). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ДЕНДРИТ - муж., греч. природное суковатое изображенье на камне, похожее на деревцо. Агат с деревцом, Дендритовый, дендритный, деревцовый; с дендритами, к ним относящийся. Дендролит муж. окаменелое дерево, адамова кость. Дендрология жен. часть ботаники и… … Толковый словарь Даля
ДЕНДРИТ - (от греч. dendron дерево), короткий ветвящийся цитоплазматич. отросток нейрона (дл. до 700 мкм), проводящий нервные импульсы к телу нейрона (перикариону). От тела большинства нейронов отходит неск. Д., ветви к рых локализуются около него. Д. не… … Биологический энциклопедический словарь
дендрит - а, м. dendrite f. <гр. dendron дерево. 1. Полудрагоценный камень, чаще разновидность халцедона, сердолик, сардер, агат или янтарь, структура которых создает внутри узор, подобный изображению деревца с ветвями. Отшлифованные дендриты благодаря… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
дендрит - dendrite Dendrit мінеральний аґреґат (іноді кристал) деревоподібної форми. Утворюється з розчинів, пари або розплавів при швидкій кристалізації речовини в тріщинах, в’язкому середовищі тощо … Гірничий енциклопедичний словник
Соответственно рассмотренным в разделе " " представлениям о жидком состоянии при небольшом перегреве сравнительно с температурой плавления структура близка к структуре кристаллов. Во время охлаждения при приближении к температуре кристаллизации в жидком металле протекают процессы, приводящие к увеличению продолжительности оседлой жизни частиц и большей стабильности квазикристаллов, из которых возникают зародыши новой фазы.
Возникновение и разрушение зародышей происходят непрерывно. Критерием того, образуется ли устойчивый зародыш, или он остается в метастабильном состоянии, является соотношение размеров самого крупного квазикристалла и критического зародыша. С увеличением степени переохлаждения уменьшается критический радиус зародыша.
Радиус атома железа равен 0,8-10^8 см, из чего следует, что даже при больших переохлаждениях критический зародыш будет состоять из сотен и тысяч атомов. Переохлаждения стали легче достигнуть в микрообъемах, в которых заведомо будут отсутствовать твердые включения, могущие быть центрами кристаллизации. М. П. Браун и Ю. Я. Скок на образцах железа массой 10 г, расплавленных в кварцевых тиглях, достигли переохлаждения на 290° С ниже температуры кристаллизации, а А. А. Духин в каплях диаметром 50-100 мкм достиг переохлаждения на 500-550° С.
В реальных слитках столь глубокое переохлаждение не достижимо. Необходимо иметь в виду, что переохлаждение, с одной стороны, увеличивает скорость и вероятность образования зародыша, с другой - уменьшает подвижность частиц в жидкости и замедляет образование кристалла. В присутствии в металле нерастворимых примесей, какими являются, например, неметаллические включения, центры кристаллизации возникают в первую очередь на этих примесях. В этом случае важную роль играет структурное соответствие примеси и кристаллизующегося металла. На легкоплавких металлах, например, обнаружено явление дезактивации нерастворимых примесей, структурно неоднородных с металлом при предварительном большом перегреве.
Растворимые в металле примеси способны изменять величину межфазной энергии. На уменьшении величины межфазной энергии, а следовательно, и снижении необходимой степени переохлаждения и одновременном уменьшении критического радиуса зародыша (в конечном счете уменьшении размера зерна в металле) основано действие модифицирующих добавок в стали. По данным В. Е. Неймарка, при оптимальной концентрации такие элементы, как Al, Ti,V, В и Са, действуют в углеродистой и как модификаторы, измельчающие кристаллическую структуру. В то же время такие добавки, как Zr, Nb и Mg, оказывают незначительное влияние на структуру слитка стали.
Некоторые из отмеченных модифицирующих добавок одновременно являются сильными раскислителями, и введение их в сталь сопровождается образованием окисной дисперсной фазы, которая сама по себе интенсифицирует кристаллизацию.
Рост кристалла и образование дендритной структуры. При кристаллизации чистых веществ, когда остаются постоянными степень переохлаждения расплава и его состав, а на границе кристаллизации сохраняются равновесные условия, кристалл должен расти в идеально ограниченной форме, присущей данному веществу, а в каждой точке кристалла должна сохраняться периодичность кристаллической решетки. В реальных же сплавах кристаллизация сопровождается появлением структурных несовершенств, и, что особенно характерно для сплавов на железной основе, образованием дендритов. Дендриты представляют собой непрерывную пространственную решетку, у которой от толстого ствола ответвляются ветви первого порядка, от них - второго, затем третьего и т. д. Все ветви имеют почти правильную кристаллографическую ориентацию.
| Рис.1 |
Дендриты бывают разнообразных размеров. Чем менее стесненно они растут, тем большей величины они достигают. Масса знаменитого кристалла Чернова, найденного в усадочной раковине 100-т слитка, составляет 3,45 кг, а высота 39 см.
Образование дендритной структуры литой стали было выявлено впервые Д. К. Черновым, и он считал это доказательством ее кристаллического строения. Изучение кристаллической структуры серых чугунов дало Д. К. Чернову основание полагать, что причиной дендритного роста кристаллов являются примеси. Это предположение получило дальнейшее развитие в работах советских ученых. В предложенной Д. Д. Саратовкиным схеме роль примесей в образовании дендритов сводится к блокированию грани кристалла и прекращению ее роста, вызывающему выбрасывания осей нового порядка.
 |
| Рис.2 |
При перемещении граней СВ и АВ со скоростями vc и vx через промежуток времени Т в положения СгО и АгО (рис.2 а) возрастает градиент концентрации примесей перед гранями АВ и СВ, в то время как в вершине кристалла по линии ВО градиент концентрации примесей ниже и имеет минимальное значение в направлении роста ребра О. При блокировании участков АгВг и СгВ2 мономолекулярным слоем примеси рост грани прекращается, кристалл
За к. 824 289 растет в виде иглы в направлении ВО (рис. 2, б). На грани образуются выступы и зубцы, некоторые из них начинают расти как основная игла (рис. 2, в).
При больших скоростях охлаждения, когда исключаются условия скопления примесей у растущих граней кристалла, дендритная структура кристаллов металла заменяется ячеистой, характеризующейся отсутствием осей второго порядка, а кристаллы имеют вид параллельных стволов, прилегающих друг к другу (рис. 3).
Ячеистая структура, например, наблюдается при охлаждении пластин кремнистой стали (1,5-2,0% Si) толщиной от 1 до 0,1 мм со скоростью 104-106°С/с. Средний диаметр ячейки в этом случае тем меньше, чем выше скорость , и в наиболее быстрозатвердевающих пластинах он составляет 2-2,5 мкм.
В условиях кристаллизующихся слитков ячеистая структура практически не образуется, и для реального стального слитка стали характерна дендритная структура.
Кафедра технологии металлов и материаловедения
Материаловедение
Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей
Тверь 2006
Изложена методика выполнения лабораторной работы по макроструктурному методу исследования металлов. Приведены рекомендации по выполнению и требования к оформлению отчета по лабораторной работе. Даны контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов по теме работы.
Составитель: Л.Е. Афанасьева
© Тверской государственный
технический университет, 2006
МАКРОСТРУКТУРНЫЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ (МАКРОАНАЛИЗ)
Цель работы : ознакомиться с методикой проведения макроструктурного анализа. Изучить характерные виды изломов, макроструктуру литой и деформированной стали на макрошлифах. Изучить связь характера макроструктуры с условиями ее формирования и механическими свойствами стали.
Теоретическое введение
Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Макроанализ проводят путем изучения изломов, макрошлифов или внешних поверхностей заготовок и деталей.
Макроанализ позволяет выявить наличие в материале макродефектов, возникших на различных этапах производства литых, кованных, штампованных и катаных заготовок, а также причины и характер разрушения деталей.
С помощью макроанализа устанавливают вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; волокна в деформированном металле.
Методы испытаний и оценки макроструктуры стальных изделий установлены ГОСТ 10243-75.
Изучение изломов.
Изломом называется поверхность, образующаяся вследствие разрушения металла. В зависимости от состава, строения металла, наличия дефектов, условий обработки и эксплуатации изделий изломы могут иметь вязкий, хрупкий и усталостный характер.
Хрупкое разрушение протекает без заметной предшествующей пластической деформации. Форма зерна не искажается и на изломе виден исходный размер зерен металла. Поверхность хрупкого излома (рис. 1, а) блестящая, кристаллическая. Разрушение может происходить через зерна (транскристаллический излом), либо по границам зерен (интеркристаллический или межкристаллический излом). Разрушение по границам зерен имеет место при наличии на границах неметаллических включений (фосфиды, сульфиды, оксиды) или других выделений, снижающих прочность границ зерна. Хрупкое разрушение наиболее опасно, так как происходит чаще всего при напряжениях ниже предела текучести материала.
Вязкий (волокнистый) излом (рис. 1, б) имеет бугристо-сглаженный рельеф и свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. Поверхность излома матовая, с мелким, неразличимым глазом, зерном. По виду вязкого излома нельзя судить о форме и размерах зерен металла.
Усталостный излом (рис.2) образуется в результате длительного воздействия на металл циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Усталостная трещина возникает в местах, где имеются концентраторы напряжений или дефекты (шлаковое включение, поры и т.п.). Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома.
Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.
Метод визуального (или при небольших увеличениях) наблюдения изломов называют фрактографией. На изломах макроструктуру оценивают путем сравнения с нормативными макроструктурами, приведенными в ГОСТ 10243-75, по 25 параметрам. Определение вида, формы и цвета излома позволяет характеризовать многие особенности строения и обработки материала.
Изучение макрошлифов.
Макрошлиф – это образец с плоской шлифованной и протравленной поверхностью, вырезанный из исследуемого участка детали или заготовки. Его получают следующим образом. На металлорежущем станке или ножовкой вырезают образец, одну из плоских поверхностей которого ровняют напильником или на плоскошлифовальном станке. Затем образец шлифуют вручную или на шлифовально-полировальном станке шлифовальной шкуркой разной зернистости. Шлифование одной шкуркой нужно проводить в одном направлении, после чего следует смыть остатки абразива водой. Переходя на более мелкую шкурку, поворачивают образец на 90 о и проводят обработку до полного исчезновения рисок, образованных предыдущей шкуркой. Образец промывают водой, просушивают и подвергают глубокому или поверхностному травлению. Состав некоторых реактивов для травления приведен в Приложении 1.
Перед травлением образец обезжиривают и очищают, как правило, этиловым спиртом. Травление большинством реактивов осуществляют, погружая в них образец. При этом следует строго соблюдать правила техники безопасности. Реактив, активно взаимодействуя с участками, где имеются дефекты и неметаллические включения, протравливает их более сильно и глубоко. Поверхность макрошлифа получается рельефной. Такое травление называется глубоким .
Поверхностное травление, проводимое менее агрессивными реактивами, позволяет выявить в сталях, чугунах и цветных сплавах ликвацию, т.е. химическую неоднородность материала, возникающую при его производстве, макроструктуру литого или деформированного металла, структурную неоднородность материала, подвергнутого термической или химико-термической обработке.
Изучение дендритной макроструктуры литого металла после глубокого травления.
Форма и размер зерен в слитке зависят от условий кристаллизации: температуры жидкого металла, скорости и направления отвода тепла, примесей в металле. Рост зерна происходит по дендритной (древовидной) схеме (рис. 3).
б)
Рис. 4. Строение металлического слитка. а) Зависимость числа центров кристаллизации (ч.ц.) и скорости роста кристаллов (с.р.) от степени переохлаждения DТ. б) Макроструктура слитка: 1 – мелкие равноосные зерна (корковая зона), 2 – столбчатые дендриты, 3 – крупные равноосные зерна, 4 – усадочная раковина, 5 – усадочная рыхлость, 6 – ликвационная
зона.
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации Т пл число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей DТ 1 , то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая). При переохлаждении до температуры соответствующей DТ 2 – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.
Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты. Растут дендриты в направлении, близком к направлению теплоотвода. Так как теплоотвод от не закристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.
В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка).
Слитки сплавов имеют неодинаковый состав. В процессе кристаллизации все легкоплавкие примеси оттесняются в центр слитка. Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией.
Похожая информация.