ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ

Кристаллизацией (первичной) называют процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое. Движущей силой процесса является стремление системы (сплава) к более термодинамически устойчивому состоянию, характеризующемуся пониженной свободной энергией (энергией Гиббса G) (рис. 22.1). Здесь Т — равновесная температура кристаллизации, когда термодинамические потенциалы расплава и твердого металла равны: Gx = GJB; Гф — фактическая температура кристаллизации; АТ= Ts- Тф степень переохлаждения.

Кристаллизация чистого металла происходит при постоянной температуре, причем, чем выше скорость охлаждения (v2 > Vj), тем больше степень переохлаждения (АТ2 > АТ{) (рис. 22.2). При кристаллизации происходит образование зародышей, вырастающих затем в кристаллиты (зерна).

Минимальный размер зародыша, обеспечивающий его устойчивость, рост и осуществление процесса кристаллизации, называют критическим (рис. 22.3). В процессе образования зародыша размером гкр происходят увеличение межфазной поверхностной энергии (A(7s) и уменьшение объемной свободной энергии (A(?v) расплава

Температурная зависимость свободной энергии (G) металла в жидком (7) и твердом (2) состояниях

Рис. 22.1. Температурная зависимость свободной энергии (G) металла в жидком (7) и твердом (2) состояниях

Влияние скорости охлаждения на характер термических кривых (ia, > v)

Рис. 22.2. Влияние скорости охлаждения на характер термических кривых (ia, > v2)

за счет появления поверхностей раздела. Общее изменение свободной энергии металла (А?7общ) в результате формирования твердой частицы сферической формы радиуса г равно

где L — удельная теплота кристаллизации; р — плотность металла; АТ — степень переохлаждения; Тпл температура плавления металла; у — удельная поверхностная (межфазная) свободная энергия на границе твердой и жидкой фаз. Зародыш может сохраняться лишь при условии уменьшения А(?общ (при фиксированном переохлаждении АТ). Однако при малых размерах частицы это

Зависимость изменения свободной энергии расплава от размера зародышей

Рис. 22.3. Зависимость изменения свободной энергии расплава от размера зародышей

условие не реализуется, поскольку отношение площади поверхности частицы к объему слишком велико. Зародыши же с размерами, равными критическому и больше критического (/• ), растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Критический размер зародыша определяется из условия

Из уравнения (22.3) видно, что с уменьшением межфазного натяжения (ут_ж) и увеличением степени переохлаждения критический размер зародыша уменьшается.

Рост кристаллов характеризуется скоростью роста линейных размеров кристалла; размерность — м/с. Интервалы метастабильности (Д7) для процессов зарождения и роста кристаллов неодинаковы: ДГср меньше ДГчц. На рис. 22.4 приведены зависимости скорости роста (с.р) кристаллов и числа центров кристаллизации от степени переохлаждения металла.

В зависимости от степени переохлаждения отношение между ними изменяется; это приводит к тому, что с увеличением АТ изменяется зерно металла.

Передача теплоты литейной форме при затвердевании сплавов осуществляется через расплав, слой затвердевшего металла и поверхность раздела «металл — форма». При этом интенсивность процесса теплообмена определяется критерием Био: Влияние степени переохлаждения на параметры кристализации и структуру металла

Рис. 22.4. Влияние степени переохлаждения на параметры кристализации и структуру металла:

7 — скорость роста (с.р); 2 — число центров (ч.ц)

где а — коэффициент теплоотдачи от поверхности тела к окружающей среде; X — коэффициент теплопроводности; / — толщина тела; Х/1 — термическая проводимость данного тела.

В процессе затвердевания отливка охлаждается, а форма нагревается. Литейные формы существенно различаются также по теплофизическим свойствам, поэтому процессы затвердевания отливок в различных формах, будучи подобными, в то же время характеризуются различными значениями критерия Bi (от 0 до <*>). Например, при литье в песчаные формы значения критерия Био для отливки и песчаной формы находятся в следующих пределах: BiOTJl « 1; В1ф » 1. Для данного случая решение уравнения теплопроводности имеет вид

где т — время затвердевания (без учета времени отвода теплоты перегрева); / — удельная теплота кристаллизации; т — масса отливки; S — площадь суммарной поверхности отливки; АТмф = - *ф — перепад температур металл—форма (/м — температура расплава; /ф — начальная температура формы); ?ф = (^фСфрф)0,5 — коэффициент аккумуляции теплоты (мера скорости поглощения теплоты материалом формы); С. — теплоемкость формы.

Из уравнения (22.5) видно, что время затвердевания отливки в песчаной форме в основном определяется перепадом температур АГм.ф и теплоаккумулирующей способностью bф.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >