Відповідно розглянутим в розділі "фізико-хімічні основи плавки стали" уявленням про рідкому стані при невеликому перегрів порівняно з температурою плавлення структура рідини близька до структури кристалів. Під час охолодження при наближенні до температури кристалізації в рідкому металі протікають процеси, що призводять до збільшення тривалості осілого життя частинок і більшої стабільності квазікристалів, з яких виникають зародки нової фази.
Виникнення і руйнування зародків відбуваються безперервно. Критерієм того, чи утворюється стійкий зародок, або він залишається в метастабільних станів, є співвідношення розмірів найбільшого квазікристала і критичного зародка. Зі збільшенням ступеня переохолодження зменшується критичний радіус зародка.
Радіус атома заліза дорівнює 0,8-10 ^ 8 см, з чого випливає, що навіть при великих переохолодженнях критичний зародок буде складатися з сотень і тисяч атомів. Переохолодження стали легше досягти в мікрооб'ємах, в яких свідомо будуть відсутні тверді включення, що можуть бути центрами кристалізації. М. П. Браун і Ю. Я. Скок на зразках заліза масою 10 г, розплавлених в кварцових тиглях, досягли переохолодження на 290 ° С нижче температури кристалізації, а А. А. Духин в краплях діаметром 50-100 мкм досяг переохолодження на 500 -550 ° С.
У реальних злитках настільки глибоке переохолодження не досяжною. Необхідно мати на увазі, що переохолодження, з одного боку, збільшує швидкість і ймовірність утворення зародка, з іншого - зменшує рухливість частинок в рідині і уповільнює утворення кристала. У присутності в металі нерозчинних домішок, якими є, наприклад, неметалеві включення, центри кристалізації виникають в першу чергу на цих домішках. У цьому випадку важливу роль відіграє структурний відповідність домішки і кристалізується металу. На легкоплавких металах, наприклад, виявлено явище дезактивації нерозчинних домішок, структурно неоднорідних з металом при попередньому великому перегрів.
Розчинні в металі домішки здатні змінювати величину міжфазної енергії. На зменшенні величини міжфазної енергії, а отже, і зниження необхідного ступеня переохолодження і одночасному зменшенні критичного радіуса зародка (в кінцевому рахунку зменшенні розміру зерна в металі) заснована дія добавок, що модифікують в стали. За даними В. Е. Неймарка, при оптимальній концентрації такі елементи, як Al, Ti, V, В і Са, діють в вуглецевої і легованої сталі як модифікатори, подрібнюючі кристалічну структуру. У той же час такі добавки, як Zr, Nb і Mg, мають незначний вплив на структуру злитка сталі.
Деякі із зазначених модифікуючих добавок одночасно є сильними раскислителями, і введення їх в сталь супроводжується утворенням окисною дисперсної фази, яка сама по собі інтенсифікує кристалізацію.
Зростання кристала і освіту дендритних структури. При кристалізації чистих речовин, коли залишаються постійними ступінь переохолодження розплаву і його склад, а на кордоні кристалізації зберігаються рівноважні умови, кристал повинен рости в ідеально обмеженій формі, властивій даної речовини, а в кожній точці кристала повинна зберігатися періодичність кристалічної решітки. В реальних же сплавах кристалізація супроводжується появою структурних недосконалостей, і, що особливо характерно для сплавів на залізній основі, освітою дендритів. Дендрити представляють собою безперервну просторову решітку, у якій від товстого стовбура відгалужуються гілки першого порядку, від них - другого, потім третього і т. Д. Все гілки мають майже правильну кристалографічну орієнтацію.
Дендрити бувають різноманітних розмірів. Чим менше обмежено вони ростуть, тим більшої величини вони досягають. Маса знаменитого кристала Чернова, знайденого в усадочною раковині 100-т злитка, становить 3,45 кг, а висота 39 см.
Освіта дендритних структури литої сталі було виявлено вперше Д. К. Черновим, і він вважав це доказом її кристалічної будови. Вивчення кристалічної структури сірих чавунів дало Д. К. Чернова підстави вважати, що причиною дендритного росту кристалів є домішки. Це припущення отримало подальший розвиток в роботах радянських вчених. У запропонованій Д. Д. Саратовкіних схемою роль домішок в освіті дендритів зводиться до блокування грані кристала і припинення її зростання, що викликає викидання осей нового порядку.
Рис.2 Освіта дендрита
При переміщенні граней СВ і АВ зі швидкостями vc і vx через проміжок часу Т в положення СГО і Аго (рис.2 а) зростає градієнт концентрації домішок перед гранями АВ і СВ, в той час як в вершині кристала по лінії ВО градієнт концентрації домішок нижче і має мінімальне значення в напрямку зростання ребра О. При блокуванні ділянок АгВг і СгВ2 мономолекулярним шаром домішки зростання межі припиняється, кристал
За до. 824 289 росте у вигляді голки в напрямку ВО (рис. 2, б). На межі утворюються виступи і зубці, деякі з них починають рости як основна голка (рис. 2, в).
При великих швидкостях охолодження, коли виключаються умови скупчення домішок у зростаючих граней кристала, дендритная структура кристалів металу замінюється ячеистой, яка характеризується відсутністю осей другого порядку, а кристали мають вигляд паралельних стовбурів, прилеглих один до одного (рис. 3).
Рис.3 Ніздрювата структура металу
Чарункова структура, наприклад, спостерігається при охолодженні пластин кременистої стали (1,5-2,0% Si) товщиною від 1 до 0,1 мм зі швидкістю 104-106 ° С / с. Середній діаметр комірки в цьому випадку тим менше, чим вище швидкість охолодження. і в найбільш бистрозатвердевающую пластинах він становить 2-2,5 мкм.
В умовах кристалізуються злитків чарункова структура практично не утворюється, і для реального сталевого злитка стали характерна дендритная структура.