2800
.pdfН.П. ЯРОСЛАВЦЕВ
Воронеж –2003
УДК 669.1:536.42
Ярославцев Н.П. Физические основы затвердевания: Учеб. пособие/ Воронеж, гос. техн. ун-т, 2003, 98с.
В учебном пособии изложены физические основы затвердевания с учетом тепловых и диффузионных процессов применительно к металлам и сплавам. Наряду с классическими представлениями о механизмах зарождения, кинетики роста кристаллов, закономерностях формообразования кристаллов из расплава, рассмотрены природа структурной наследственности в системе,"шихта-расплав-отливка" и некоторые способы управления процессами затвердевания в условиях литейной формы. Особое внимание уделено физическим принципам направленного затвердевания металлов и сплавов и способам их реализации в практике литейных процессов.
Пособие написано в соответствии с учебным планом подготовки инже- неров-литейщиков и рабочей программой курса "Физические основы затвердевания".
Предназначено для студентов старших курсов специальности "Литейное производство черных и цветных металлов и сплавов", но может быть полезно студентам других материаловедческих специальностей.
Табл. 4, Ил. 36. Библиогр.:21 назв.
Научный редактор д.-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Щетинин. Рецензенты: кафедра физики Воронежской высшей школы МВД РФ;
Гл. металлург АО.«ТЯЖЭКС» им. Коминтерна В.Л. Скурщан-
ский.
©Ярославцев Н.П., 2003
©Оформление. Воронежский государственный технический университет.
2003
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
1.1.Изменения свойств металлов при фазовых превращениях
1.2.Структура жидких металлов при слабом перегреве
1.3.Свойства и строение жидких металлов при высоких
температурах 2.ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ РАС- ПЛАВ-ФОРМА
2.1.Процессы затвердевания и кристаллизации
2.2.Температурное поле и его описание
2.3.Строение области затвердевания
2.4.Поверхность раздела между жидкой и твердой фаза-
ми
2.5.Равновесие между твердой и жидкой фазами в чистых металлах и сплавах
3.ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ИЗ РАСПЛАВА
3.1.Гомогенное зарождение
3.2.Гетерогенное зарождение
3.3.Механизмы и кинетика роста кристаллов
3.4.Формы и строение первичных кристаллов З.5. Дендритная кристаллизация
4.ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ В ПРОЦЕССЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ
4.1.Коэффициент распределения
4.2.Конституционное переохлаждение
5.КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
5.1.Характеристика эвтектик
5.2.Факторы, влияющие на структуру эвтектик
6.СТРУКТУРНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ В СИСТЕМЕ «ШИХТА-РАСПЛАВ-ОТЛИВКА»
6.1.Природа наследственности
6.2.Управление процессами затвердевания в условиях литейной формы
7.НАПРАВЛЕННОЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
7.1.Принципы направленного затвердевания
7.2.Методы оценки направленности затвердевания СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Т - абсолютная температура, К;
t - температура в произвольный момент времени;
Нплмолярная теплота плавления, Дж/моль
Ниспмолярная теплота испарения, Дж/моль C- молярная теплоемкость, Дж/(моль. К)
- плотность вещества, кг/м3;
- кинематическая вязкость, м2/с; Z - координационное число;
ТL - температуре ликвидуса сплава, К; Ts - температура солидуса сшгава, К; ТЕ - температура кристаллизации, К; Тс - температура окружающей среды, К;
Тх – температура переохлажденного расплава, К; grad T- температурный градиент, К/м;
Т - интервал кристаллизации сплава. К;- текущее время;- теплопроводность, Вт/(м. К);
α- коэффициент полной теплоотдачи, Вт/(м2 .К); а - коэффициент температуропроводности, м2 /с;
Q - количество теплоты, выделенной или поглощенной, Дж;
L - удельная теплота кристаллизации, Дж/кг;
XLS- ширина двухфазной области в затвердевающем металле, м; ∆Нм- изменение энтальпии плавления, Дж;
∆S - изменение энтропии, Дж;
G- поверхностное натяжение, Н/м;
CLCs~ удельные теплоемкости жидкого и твердого состояний, Дж /(кг.К);
CQ - средняя концентрация примеси в расплаве, %;
СТСж концентрация компонентов в твердой и жидкой фазах, %;
4
Ко - равновесный коэффициент распределения; К эфф - эффективный коэффициент распределения; к = 1,38.10-23 - постоянная Больцмана;
= 5,67.10-8 Вт/(м2.К4)- постоянная Стефана-Больцмана; R = 8,31универсальная газовая постоянная
5
ВВЕДЕНИЕ Процессы затвердевания оказывают огромное влия-
ние на формирование микро- и макроструктуры литого металла, определяют качество отливок и в конечном счете уровень механических и эксплуатационных свойств литых изделий. В связи с этим условия и закономерности первичной кристаллизации в зависимости от степени перегрева и переохлаждения расплава, интенсивности отвода теплоты от затвердевающего металла являются объектом интенсивного изучения ученых и практиков. Результаты исследований обобщены и хорошо проанализированы в монографии В.Чалмерса "Теория затвердевания", изданной в 1968 г. и ставшей в настоящее время библиографической редкостью.
В данном учебном пособии с позиций атомарного подхода к затвердеванию рассмотрены следующие вопросы: структура металлических расплавов, равновесие между жидким и твердом состояниями, процессы зародышеобразования и условия роста кристаллов, перераспределение примесей в твердой и жидкой фазах на всех этапах кристаллизации металла из расплава, а также природа наследственных свойств в системе «шихта-расплав-отливка».
Макроскопический подход к затвердеванию использован при описании теплообменных процессов между кристаллизующимся металлом и литейной формой, структуры литого металла в условиях эвтектической кристаллизации и направленного затвердевания сплавов.
При изучении данного пособия необходима хорошая подготовка по металловедению и термической обработке, по теории литейных процессов.
6
1.СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
1.1.Изменения свойств металлов при фазовых пре-
вращениях.
Любое вещество в зависимости от внешних условий (температуры, давления и др.) может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Для описания физических процессов затвердевания наибольшее значение имеют два первых состояния. Жидкое состояние металлов и сплавов со всеми присущими свойствами принято называть металлическим расплавом (в дальнейшем просто расплавом). Наиболее изученными с точки зрения структуры и динамики поведения системы атомов являются газообразное и твердофазное состояния, наименее - жидкое. Объяснить это можно следующим.
Любая макросистема из частицмолекул или атомов - представляет проблему большого числа N-тел. В случае твердого тела считается, что взаимодействие частиц в системе велико и при малых их смещениях данную проблему можно свести к задаче для независимых тел. К такому же результату можно придти при рассмотрении поведения газов, если допустить слабое взаимодействие (или даже его отсутствие) между частицами. Для расплавов же ни одно из этих допущений не является оправданным и поэтому проблема считается задачей многих взаимозависимых тел. Поскольку даже задача трех взаимодействующих тел с силами, обратно пропорциональными квадратам расстояний, до настоящего времени не имеет точного решения, трудность описания динамики поведения расплава становится очевидной. Однако, несмотря на ограниченность существующих теорий многие физические и литейные свойства расплавов удается объ-
7
яснить и получить отливки с требуемым уровнем механических и эксплуатационных свойств.
Информацию о структуре расплавов удается получить из анализа экспериментальных данных, в ходе проведения высокоразрешающих дифракционных исследований, например, рентгенографических, электронографических и др. На рис. 1.1 приведены рентгенографические спектры одного и того же вещества, находящегося в газообразном и кристаллическом состояния ; по оси абсцисс отложен порядок отражения лучей n = sin θ / ( θ - угол отражения,- длина волны), по оси ординат - интенсивность дифрагированных лучей J .
На рентгенограммах обнаруживаются следующие закономерности. Твердые кристаллические вещества характеризуются при определенных углах отражения четкими максимумами интенсивности J; жидкие металлы (вблизи температуры плавления Tпл) - размытыми максимумами; металлы в состоянии газа (при температуре испарения) - отсутствием экстремумов интенсивности при всех θ. Определенное соответствие в спектрах жидкого и твердого состояний является свидетельством того, что в металлических расплавах при Tnл сохраняется признаки кристаллической фазы. Затухающий при изменении угла в характер интенсивности отражает тот факт, что в расплаве нарушается порядок, характерный для кристаллической структуры, т.е. (дальний порядок), но сохраняется упорядоченное расположение атомов в области нескольких межатомных расстояний (ближний порядок). В газообразном состоянии отсутствует как ближний, так и дальний порядок. Установлено, что для достижения этого требуется значительный перегрев, например для In до 1273 K /1,2/.
Нарушения атомного порядка в структуре металлов, происходящие при их плавлении, приводит к изменению физических и теплофизических свойств; свойства некоторых металлов приведены в табл. 1.1 и 1.2.
8
Рис. I.I. Рентгенограммы металла, находящегося в газообразном (а); жидком (б) и твердом (в) состояниях; схема положения атомов а твердом (г) и жидком (д) металлах.
9
Таблица 1.1
Свойства некоторых металлов с ГЦК-, ОЦК- и ГПУ структурой в твердом (Т) и жидком (Ж) состояниях
|
|
|
Металлы |
|
|
|
Свойство |
Сu (ГЦК) |
Li (ОЦК) |
Zn (ГПУ) |
|||
|
Т |
Ж |
Т |
Ж |
Т |
Ж |
Плотность, .103 кг/м3 |
8,32 |
7,93 |
0,53 |
0,46 |
7,13 |
6,57 |
Изменение удельного |
- |
4,7 |
- |
13,2 |
- |
7,6 |
объема, % |
|
|
|
|
|
|
Электро- |
11 |
22 |
12,3 |
16 |
17 |
34 |
сопротивление, мк |
|
|
|
|
|
|
ОМ. См |
|
|
|
|
|
|
Межатомное расстоя- |
2,74 |
2,88 |
3,28 |
3,03 |
2,65/4 |
2,94 |
ние, Т.104 , мкм |
|
|
|
|
,94 |
|
Координационное |
12 |
11- |
8 |
10 |
6 |
11 |
число Z |
|
12 |
|
|
|
|
Таблица 1.2 Теплофизические свойства некоторых металлов
|
.103 |
Температура, |
Теплота, |
Теплоем- |
||||
Ме- |
, |
|
К |
кДж/моль |
кость при |
|||
талл |
кг/м3 |
|
|
|
|
|
Tпл |
Дж/ |
|
|
|
|
|
|
|
(моль.К) |
|
|
|
Тпл |
|
Ткип |
Нпл |
Нисп |
Т |
Ж |
Fe |
7,87 |
1812 |
|
3145 |
13,4 |
354 |
24,3 |
21,8 |
Al |
2,71 |
933 |
|
2793 |
10,8 |
284 |
35,2 |
36,5 |
Cu |
8,96 |
1356 |
|
2816 |
13,1 |
306 |
23,1 |
23,9 |
10