Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей
Исследованы закономерности изменения дисперсности и морфологии дендритного строения в отливках сталей марок 20Л, 45Л и У7Л в зависимости от условий кристаллизации при нормальном и интенсивном теплоотводе. Сделана количественная оценка характеристик дендритной структуры. Досліджено закономірності змі...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Процессы литья |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31656 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей / С.Е. Кондратюк, Р.А. Воробель, И.М. Стась, Е.Л. Бречко, Г.И. Бавда // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 38-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-31656 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кондратюк, С.Е. Воробель, Р.А. Стась, И.М. Бречко, Е.Л. Бавда, Г.И. 2012-03-12T18:17:57Z 2012-03-12T18:17:57Z 2009 Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей / С.Е. Кондратюк, Р.А. Воробель, И.М. Стась, Е.Л. Бречко, Г.И. Бавда // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 38-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31656 621.785.52 Исследованы закономерности изменения дисперсности и морфологии дендритного строения в отливках сталей марок 20Л, 45Л и У7Л в зависимости от условий кристаллизации при нормальном и интенсивном теплоотводе. Сделана количественная оценка характеристик дендритной структуры. Досліджено закономірності зміни дисперсності та морфології дендритної будови у виливках сталей марок 20Л, 45Л та У7Л в залежності від умов кристалізації при нормальному та інтенсивному тепловідборі. Зроблено кількісну оцінку характеристик дендритної структури. The relationship of changing the dispersion and morphology of the tree-like structure in 20L, 45L and U7L steel castings depending on crystallization conditions under normal and intensive heat removal have been investigated. The quantitative estimation of the characteristics of the tree-like structure has been fulfilled. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Кристаллизация и структурообразование сплавов Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| spellingShingle |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей Кондратюк, С.Е. Воробель, Р.А. Стась, И.М. Бречко, Е.Л. Бавда, Г.И. Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| title_short |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| title_full |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| title_fullStr |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| title_full_unstemmed |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| title_sort |
характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей |
| author |
Кондратюк, С.Е. Воробель, Р.А. Стась, И.М. Бречко, Е.Л. Бавда, Г.И. |
| author_facet |
Кондратюк, С.Е. Воробель, Р.А. Стась, И.М. Бречко, Е.Л. Бавда, Г.И. |
| topic |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| topic_facet |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Исследованы закономерности изменения дисперсности и морфологии дендритного строения в отливках сталей марок 20Л, 45Л и У7Л в зависимости от условий кристаллизации при нормальном и интенсивном теплоотводе. Сделана количественная оценка характеристик дендритной структуры.
Досліджено закономірності зміни дисперсності та морфології дендритної будови у виливках сталей марок 20Л, 45Л та У7Л в залежності від умов кристалізації при нормальному та інтенсивному тепловідборі. Зроблено кількісну оцінку характеристик дендритної структури.
The relationship of changing the dispersion and morphology of the tree-like structure in 20L, 45L and U7L steel castings depending on crystallization conditions under normal and intensive heat removal have been investigated. The quantitative estimation of the characteristics of the tree-like structure has been fulfilled.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/31656 |
| citation_txt |
Характеристики дендритной структуры в связи с условиями кристаллизации углеродистых сталей / С.Е. Кондратюк, Р.А. Воробель, И.М. Стась, Е.Л. Бречко, Г.И. Бавда // Процессы литья. — 2009. — № 4. — С. 38-44. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kondratûkse harakteristikidendritnoistrukturyvsvâzisusloviâmikristallizaciiuglerodistyhstalei AT vorobelʹra harakteristikidendritnoistrukturyvsvâzisusloviâmikristallizaciiuglerodistyhstalei AT stasʹim harakteristikidendritnoistrukturyvsvâzisusloviâmikristallizaciiuglerodistyhstalei AT brečkoel harakteristikidendritnoistrukturyvsvâzisusloviâmikristallizaciiuglerodistyhstalei AT bavdagi harakteristikidendritnoistrukturyvsvâzisusloviâmikristallizaciiuglerodistyhstalei |
| first_indexed |
2025-11-26T20:50:03Z |
| last_indexed |
2025-11-26T20:50:03Z |
| _version_ |
1850774641987026944 |
| fulltext |
38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Кристаллизация и структурообразование сплавов
УДК 621.785.52
С. Е. Кондратюк, Р. А. Воробель*, И. М. Стась,
Е. Л. Бречко, Г. И. Бавда*
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
*Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко НАН Украины, Львов
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ В СВЯЗИ
С УСЛОВИЯМИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Исследованы закономерности изменения дисперсности и морфологии дендритного строе-
ния в отливках сталей марок 20Л, 45Л и У7Л в зависимости от условий кристаллизации при
нормальном и интенсивном теплоотводе. Сделана количественная оценка характеристик
дендритной структуры.
Досліджено закономірності зміни дисперсності та морфології дендритної будови у вилив-
ках сталей марок 20Л, 45Л та У7Л в залежності від умов кристалізації при нормальному та
інтенсивному тепловідборі. Зроблено кількісну оцінку характеристик дендритної структури.
The relationship of changing the dispersion and morphology of the tree-like structure in 20L, 45L
and U7L steel castings depending on crystallization conditions under normal and intensive heat
removal have been investigated. The quantitative estimation of the characteristics of the tree-like
structure has been fulfilled.
Ключевые слова: сталь, кристаллизация, отливка, дендритная структура.
Особенности дендритного строения содержат важную информацию о процессах кри-
сталлизации и структурообразования в реальных объемах металла и во многом опреде-
ляют уровень физико-механических свойств отливок. Применение режимов ускоренно-
го и регламентированного теплоотвода при кристаллизации позволяет целенаправленно
воздействовать на дисперсность и морфологию литой структуры и фазово-структурное
состояние литых изделий. Заложенные при кристаллизации особенности дендритного
строения сохраняют свое влияние на структуру и свойства после операций окончатель-
ной термической обработки отливок.
Исходя из этого, количественная оценка дендритной структуры в связи с условия-
ми кристаллизации является одним из основных критериев оценки и прогнозирова-
ния свойств литых изделий [1]. С учетом этого исследовано влияние температурно-
временных условий кристаллизации на формирование и особенности дендритной струк-
туры сталей марок 20Л, 45Л и У7Л в отливках, затвердевающих в условиях нормального
и интенсивного теплоотвода.
Исследованы структурные особенности по сечению прямоугольных отливок разме-
ром 115×130×200 мм, полученных при кристаллизации сталей в условиях односторонне-
го теплоотвода с использованием литейных форм с различной теплоотводящей способ-
ностью. Комбинированная литейная форма обеспечивала охлаждение торца отливок с
разной интенсивностью охлаждения расплава за счет использования водоохлаждаемого
медного кристаллизатора (интенсивный теплоотвод) или песчано-глинистой вставки
(нормальный теплоотвод).
Для выявления дендритной структуры поверхность шлифов макротемплетов отливок
протравливали реактивом Стэда [2]. Количественную оценку дендритной структуры в
отливках исследуемых сталей производили с использованием характеристик дисперс-
ности дендритной структуры (ДДС), плотности дендритной структуры (ПДС), длины
и ширины дендритов [3]. Каждая из этих характеристик отражает определенные осо-
бенности строения дендритной структуры и непосредственно связана с тем или иным
параметром кристаллизации.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 39
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Металлографически установлено (рис. 1), что формирование первичной литой
структуры в отливках исследуемых сталей в зависимости от условий теплоотвода сопро-
вождается образованием дендритных кристаллов различной дисперсности и морфологии.
Показано, что в случае применения интенсивного теплоотвода характеристики плотно-
сти и дисперсности дендритной структуры по глубине отливки закономерно повышаются
(табл. 1). Так, плотность дендритной структуры непосредственно у торцевой поверхности
отливки возрастает приблизительно в 1,75 раза (стали марок 20Л и 45Л) и 1,3 (сталь У7Л) и
Рис. 1. Структуры стали У7Л по сечению отливки в условиях нормального (а) и интенсивно-
го (б) охлаждения; цифры возле изображений структур – расстояние от торца отливок, ×100
а б
40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Кристаллизация и структурообразование сплавов
составляет: для стали 20Л – 4,6; стали 45Л – 4,2 и стали У7Л – 2,3. В условиях нормаль-
ного теплоотвода плотность дендритной структуры равняется 2,65 (сталь 20Л); 2,4 (сталь
45Л) и 1,75 (сталь У7Л). Влияние теплоотвода как нормального, так и интенсивного,
наиболее сильно проявляется на расстоянии приблизительно до 20-30 мм от торца от-
ливок. Далее изменение плотности дендритной структуры по глубине отливок является
незначительным.
Дисперсность дендритной структуры, определенная для отливок, полученных в усло-
виях нормального теплоотвода, заметно уменьшается до глубины 20-30 мм от поверх-
ности отливки. На большем удалении от торца изменение этого параметра является не-
значительным. В случае интенсивного теплоотвода значения дисперсности дендритной
структуры, определенные у поверхности теплоотвода, превышают в 2,1 (сталь 20Л); 2,0
(сталь 45Л) и 1,8 раза (сталь У7Л) соответствующие значения этого параметра, получен-
ные для условий нормального теплоотвода. Влияние интенсивного теплоотвода распро-
страняется на глубину до 50-60 мм от торца отливки.
Марка
стали
Характерис-
тика дендрит-
ной структуры
Расстояние от торца, мм
1 5 12 20 39 60 82 115 150
20Л
ПДС 2,65
4,60
2,10
3,50
1,65
2,30
1,50
1,75
1,30
1,50
1,25
1,40
1,18
1,30
1,10
1,20
1,10
1,15
ДДС 43,50
90,00
32,50
75,00
22,50
48,50
18,00
34,00
13,00
24,00
11,00
17,00
10,25
13,00
9,50
10,50
9,50
10,50
45Л
ПДС 2,40
4,20
1,90
2,80
1,60
1,85
1,38
1,55
1,09
1,21
0,93
1,01
0,85
0,93
0,77
0,80
0,70
0,75
ДДС 40,00
80,00
25,00
52,50
14,50
35,50
12,00
24,50
10,50
19,50
9,00
15,00
7,50
11,00
7,00
9,00
7,00
7,50
У7Л
ПДС 1,75
2,30
1,50
1,85
1,30
1,57
1,20
1,40
1,05
1,20
0,96
1,25
0,90
1,05
0,90
1,05
0,90
1,05
ДДС 28,00
50,00
22,00
37,00
18,50
28,50
16,50
25,00
15,00
23,00
13,00
20,80
12,50
19,00
12,00
17,00
11,500
15,50
Таблица 1. Изменение плотности и дисперсности дендритной структуры
сталей в связи с условиями кристаллизации
Примечание: в числителе – нормальное охлаждение; в знаменателе – интенсивное охлаждение
Длина осей, мм
марка стали 20Л 45Л У7Л
Условия охлаждения нормаль-
ное
интен-
сивное
нормаль-
ное
интен-
сивное
нормаль-
ное
интен-
сивное
Корковая зона (I) 0,20 0,30 0,20 0,25 0,16 0,22
Зона столб-
чатых ден-
дритов (II)
коротко-
осные (а
1
)
2,00 25,0-3,00 2,00 2,70 1,70 2,50
длинно-
осные (а
2
)
13,00 17,00 7,00 10,00 6,00 9,00
Зона разориентированно-
го роста дендритов (III)
6,00-11,00 3,00-6,00 6,00-9,00 6,50-7,50 6,00-7,00 5,50-6,00
Зона равноосных дендри-
тов (IV)
3,00-6,00 3,00-5,00 3,00-4,00 3,00-4,50 3,00-3,80 2,80-4,20
Таблица 2. Длина осей дендритов в различных структурных зонах стальных
отливок
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 41
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Изменение дендритной структуры характеризуют также геометрические параметры
дендритов – длина и ширина.
Длина осей дендритов в корковой зоне (I) и в зоне столбчатых кристаллов (II) с вы-
делением в ней зон короткоосных (а
1
) и длинноосных (а
2
) дендритов имеет тенденцию
к увеличению при затвердевании в условиях интенсивного теплоотвода (табл. 2). Длина
дендритов в корковой зоне изменяется от 0,20 (при нормальном теплоотводе) до 0,30 мм
(при интенсивном теплоотводе) для стали 20Л; от 0,20 до 0,25 мм и от 0,16 до 0,22 мм - для
сталей марок 45Л и У7Л соответственно. На участке короткоосных дендритов (а
1
) измене-
Ширина дендритов, мм
марка
стали
условия охлаж-
дения
расстояние от торца, мм
1 5 12 20 39 60 82 115 150
20Л
нормальное 0,037 0,049 0,071 0,089 0,123 0,146 0,158 0,168 0,168
интенсивное 0,018 0,021 0,033 0,047 0,067 0,094 0,123 0,152 0,152
45Л
нормальное 0,040 0,064 0,110 0,129 0,152 0,178 0,213 0,228 0,229
интенсивное 0,020 0,031 0,046 0,062 0,082 0,107 0,145 0,178 0,213
У7Л
нормальное 0,057 0,073 0,080 0,097 0,107 0,122 0,128 0,132 0,139
интенсивное 0,032 0,043 0,056 0,064 0,070 0,077 0,084 0,095 0,103
Таблица 3. Изменение ширины дендритов по сечению отливок сталей в
зависимости от условий теплоотвода при кристаллизации
а б в г
Рис. 2. Бинарные изображения структурных составляющих сталей марок 45Л и У7: а, в – нормальное
охлаждение; б, г – интенсивное охлаждение; цифры возле изображений структур – расстояние от
торца отливок, ×100
42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Кристаллизация и структурообразование сплавов
ние их длины составляет для сталей марок 20Л, 45Л и У7Л от ~2,00 до ~2,50-3,00 мм; от ~2,00
до 2,70 мм и от ~1,70 до 2,50 мм соответственно. Для длинноосных дендритов (а2) увеличение
их длины в зависимости от условий теплоотвода происходит от 13,00 до 17,00 мм, от 7,00 до
10,00 мм и от 6,00 до 9,00 мм соответственно для сталей марок 20Л, 45Л и У7Л.
Однако влияние содержания углерода в сталях на длину дендритов имеет обратную
зависимость по сравнению с влиянием скорости теплоотвода. Так, длина длинноосных
дендритов (а2) в стали 20Л составляет 13,00 (нормальное охлаждение) и 17,00 мм (ин-
тенсивное охлаждение), в стали 45Л длина дендритов уменьшается до 7,00 и 10,00 мм,
а в стали У7Л – до 6,00 и 9,00 мм соответственно. Такая зависимость наблюдается и для
короткоосных дендритов (а
1
) и дендритов корковой зоны (I).
Также отмечено, что в зонах разориентированного роста дендритов и равноосных
дендритов изменения длины дендритов не настолько существенны, как в рассмотрен-
ных выше, хотя описанная закономерность наблюдается и для них.
В результате подсчетов средней ширины дендритов определили, что применение ин-
тенсивного теплоотвода приводит к значительному уменьшению поперечных размеров
дендритов (табл. 3). Так, в сталях марок 20Л и 45Л на расстоянии до 60 мм от торца отли-
вок ширина дендритов в случае интенсивного теплоотвода в ~2 раза меньше по сравне-
нию с нормальным теплоотводом. В стали У7Л различие в поперечных размерах дендри-
тов меньше и составляет ~1,7-1,5 раза на расстоянии до ~100 мм в глубь отливки. Далее
изменения ширины дендритов по сечению отливки становятся менее существенными,
хотя тенденция к уменьшению размеров в случае интенсивного теплоотвода сохраняет-
ся вплоть до глубины 150 мм.
а
б
Рис. 3. Протяженность границ дендритов по сечению отливок сталей в связи
с условиями кристаллизации: а – интенсивный теплоотвод; б – нормальный
теплоотвод
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4 43
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Морфологические особенности дендритной структуры в связи с условиями кристал-
лизации сталей количественно оценивались также с использованием характеристик
протяженности границ и разветвленности дендритов.
Для этого полученные металлографические изображения структур (см. рис. 1) пре-
образовывались в бинарные черно-белые изображения (рис. 2), которые пошагово об-
рабатывали методами пространственной фильтрации [4, 5] с целью устранения незначи-
тельных деталей. При этом использовались медианная фильтрация и морфологические
преобразования бинарных изображений в скользящих окнах размером 5-7 пикселей.
Для каждой экспериментальной точки анализировали до 38 изображений структуры.
Протяженность границ дендритов на бинарных изображениях оценивали в пикселях
по разработанной ФМИ им. Г. В. Карпенко НАНУ программе. Коэффициент развет-
вленности границ определяли как отношение общей площади структурной составляю-
щей всего изображения к общей протяженности всех границ.
Установили, что протяженность границ дендритов по сечению отливок интенсивно-
го теплоотвода закономерно уменьшается (рис. 3, а), наиболее существенно для стали
45Л на глубину 30 мм от поверхности, далее несколько возрастает и стабилизируется на
глубине более 60 мм. Для стали У7Л в этих условиях кристаллизации характерно более
плавное снижение указанной характеристики до глубины 20 мм. Такие изменения про-
б
а
Рис. 4. Изменение коэффициента разветвленности дендритной структуры сталей
по сечению отливок в зависимости от условий кристаллизации: а – интенсивный
теплоотвод; б – нормальный теплоотвод
44 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2009. № 4
Кристаллизация и структурообразование сплавов
тяженности границ дендритов по сечению отливок обусловлены рядом факторов – сте-
пенью переохлаждения расплава, различной теплопроводностью сталей и формирова-
нием различных структурных зон в отливках [6].
Для случаев затвердевания отливок в условиях нормального теплоотвода (рис. 3, б)
повышение протяженности границ дендритов также связано с формированием опреде-
ленных структурных зон и локальным выделением тепла кристаллизации при меньшей
скорости продвижения фронта кристаллизации.
Оценка дендритной структуры по показателю коэффициента разветвленности
(рис. 4) также свидетельствует об определяющем влиянии температурно-временных
условий кристаллизации на дисперсность и морфологию дендритов.
Таким образом показано, что при использовании режимов интенсивного теплоотво-
да в процессе кристаллизации сталей происходит закономерное изменение дисперсно-
сти, плотности и морфологии дендритов в соответствующих структурных зонах отливок.
Установленные закономерности позволяют оптимизировать температурно-временные
параметры кристаллизации и структурообразования, целенаправленно влиять на струк-
туру и физико-механические свойства стальных отливок.
1. Бялік О. М., Кондратюк С. Є., Кіндрачук М. В., Черненко В. С. Структурний аналіз металів.
Металографія. Фрактографія: Підручник. – Київ: ВПІ ВПК “Політехніка”, 2006. – 328 с.
2. Коваленко В. С. Металлографические реактивы. – М.: Металургия, 1970. – 136 с.
3. Браун М. П., Коваленко В. С., Зац Е. Л. Методы количественной оценки плотности дендритной
структуры // Завод. лаб. – 1969. – № 1. – С. 36-39.
4. Gonzalez R. C., Woods R. E. Digital Image Processing. – New Jersey: Prentice Hall, 2002. – 1025 s.
5. Воробель Р. А., Негода С. В., Опыр Н. В., Попов Б. А. Автоматизация обработки результатов неразру-
шающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов: Препринт № 156.
– Львов: ФМИ им. Г. В. Карпенко НАН Украины, 1989. – 47 с.
6. Кондратюк С. Є., Стоянова О. М., Стась І. М. Макроструктурні зони у виливках вуглецевих сталей
// Металознавство та обробка металів. – 2008. – № 1. – С. 3-7.
Поступила 28.05.2008
Вниманию авторов!
C 2009 г. в соответствии с требованиями ВАКа все статьи, поступа-
ющие в редакции научных журналов, должны обязательно проходить ре-
цензирование, иметь аннотации и ключевые слова на русском, украин-
ском и английском языках. Объем статьи — не более 10 стр., рисунков
— не более 5.
Статьи в редакции поступают как на бумажном, так и электронном носи-
телях. Для текстовых материалов желательно использовать формат doc.
Для графических материалов — формат jpeg. Графические материалы не-
обходимо сохранять в отдельных файлах. Фотографии, рисунки, графики
и чертежи должны быть черно-белыми, четкими и контрастными.
|