Примеси и свойства стали

Для ъясннеия влияния примесей на свойства металла может быть использован геометрический подход к описанию процесса кристаллизации. Это, конечно, не дает возможности сформировать непротиворечивое и физически исчерпывающее объяснение проблемы влияния индивидуальных характеристик атомов-примесей [51]. Однако такой подход может быть использован для того, чтобы представить возможную степень влияния элементов-примесей на строение и дальнейшее поведение кристаллизационных кластеров, в предположении, что эти характеристики зависят от плотности упаковки кластера. О влиянии дефектов кристаллической решетки говорит также то, что установлена связь между скоростью диффузии примесных элементов, наличием вакансий и энергией связи вакансия-примесь [5, т. 2, 133].

Изменение строения кластеров при наличии в них примесных элементов можно оценить через величину свободного объема. Для этого следует рассматривать изменение величины свободного объема рыхлой упаковки упругих сфер диаметром, равным диаметру атома железа (модель в первом приближении соответствующая ОЦК решетке) при введении в них различных количеств примесей. К подобным элементам относят прежде всего углерод, фофор, кремний и серу. При этом Fe-сферы следует заменить на шары соответствующих диаметров таким образом, чтобы целое количество шаров-примесей соответствовало их атомной доле в бинарном сплаве.

Расчеты показывают, что увеличение содержания в железе примесей (кремния и фосфора), размеры атомов (ионов) которых существенно отличаются от размеров атомов железа, увеличивает степень разрыхленности (величины свободного объема). При этом присоединение примесных элементов к кластерам по одиночке приводит к монотонному повышению разрыхленности, размещение же атомов примесей группами (2, 3 и более атомов) обуславливает не монотонное, а резкое повышение свободного объема.

При относительно небольшой концентрации примесей они распределены наиболее вероятно по одиночке. На основе представлений теории вероятности можно показать, что появление образований, состоящих из нескольких атомов составляет в случае 2-атомного образования [136]:

P₂(X) » r·X²,

где P₂(X) - вероятность появления события;

      r - число ближайших соседей атома в решетке;

      Х - концентрация.

И в случае 3-атомного образования

P₃(X) » 3·r·X³

Эти зависимости показывают, что вероятность образования примесных скоплений изменяется скачкообразно, то есть при изменении содержания примеси на порядок (с тысячных - на сотые доли процента, с сотых - на десятые) вероятность формирования двух- или трехатомного соединения возрастает на соответственно два и три порядка. Следовательно, можно ожидать, что связанные с этим изменения свойств будут происходить также скачкообразно.

Исходя из описанных представлений о влиянии примесей со значительно отличающимся от железа коэффициентом аккомодации, можно непротиворечиво объяснить полученнны в нашем институте экспериментальные результаты.

Влияние кремния и фосфора на параметры дендритной структуры можно объяснить тем, что эти элементы, входя в состав кластеров деформируют их и этим затрудняют присоединение к растущей поверхности. В результате  замедляется скорость затвердевания [8, 18, 133], уменьшается ширина (толщина) осей и увеличиваются междендритные расстояния.

Очевидно, что одновременное присутствие в расплаве двух аккомадационно трудно совместимых с растворителем элементов будет приводить к усилению их отрицательного влияния. При этом, этот эффект будет, скорее всего, неаддитивным.

Именно это обстоятельство, вероятно, является причиной того, что именно при совместном присутствии кремния и фосфора трудность присоединения "испорченных" кластеров из предкристаллизационного слоя взрастает настолько, что в результате они накапливаются, возникают значительные скопления, которые характеризуются как ликвационные изменения. При продолжении процесса количество кластеров, обогащенных примесями становится достаточным для эвтектического механизма затвердевания и, как следствие, образования эвтектик.

Очевидно, что влияние алюминия и марганца на параметры дендритной структуры будет осуществляться на основе тех же механизмов и будет зависеть от их индивидуальных теплофизических характеристик (Δ) и массовой доли компонента в расплаве. Поскольку значительно (более, чем на 30 % [133]) отличается от , то должен существенно, хотя менее эффектно, чем фосфор и кремний воздействовать на процессы затвердевания и огрублять структуру. Но, учитывая малое содержание алюминия в металле, абсолютное выражение этого воздействия не так заметно, как для фосфора и, конечно, кремния.

Марганец, чьи теплофизические параметры близки к железу (отличается от на 12 %) менее искажает строение предкристаллизационных кластеров и, следовательно, в меньшей степени влияет на процессы затвердевания. Однако, учитывая его относительно высокое содержание, наблюдали также его огрубляющее влияние на дендритную структуру.