ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

В.А. Аммер

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА

В ОТЛИВКАХ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2012

УДК 621.74.001

Аммер В.А. Кристаллизация металла в отливках: учеб. пособие / В.А. Аммер. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 156 с.

В учебном пособии рассмотрены основные закономерности первичной кристаллизации металлов и формирования отливок в условиях литейной формы.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки бакалавров 150400 «Металлургия» (профиль «Технология литейных процессов»), дисциплине «Теория литейных процессов».

Пособие предназначено для студентов третьего и четвертого курсов.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD XR и содержится в файле «Крист.мет. в отл. doc».

Табл. 7. Ил.60. Библиогр.:22 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Щетинин

Рецензенты: Учебно-научно-производственный центр

по литейным технологиям и

материаловедению ООО «ТС-

Инжиниринг», г. Воронеж

(директор А.В. Пешков);

д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Небольсин

© Аммер В.А., 2012

© Оформление ФГБОУ ВПО

Воронежский государственный

технический университет», 2012

Введение

Современная теория литейных процессов изучает процессы, протекающие в сплавах при формировании отливок в условиях литейной формы. Учитывая сложность этих процессов, теоретический материал излагается в двух учебных пособиях; в первом из них рассмотрены явления гидродинамические при заливке жидких металлов в форму, теплообменные между металлом и формой, приводящие к затвердеванию. Данное учебное пособие является второй составной частью теоретического курса. В нём рассмотрены закономерности первичной кристаллизации металла в отливках, механизмы протекания процессов, развивающихся при переходе металла из жидкого в твердое состояние – усадка, ликвация, деформация, трещинообразование, возникновение специфических дефектов – газовых, усадочных, поверхностных и объемных.

Основной материал в данном учебном пособии обсуждается с разных точек зрения: атомно-молекулярном, микро- и макроскопическом. При этом предлагаются пути и средства повышения качества отливок, т.е. отливок с минимально допустимым уровнем кристаллизационных дефектов.

Материал учебного пособия должен подготовить студентов к изучению специальных дисциплин, например «Производство отливок из черных и цветных металлов». Поэтому в учебном пособии в конце каждого раздела предлагается перечень контрольных вопросов, позволяющих студентам найти ответ с точки зрения теории литейных процессов на конкретную задачу практического характера. Кроме того, пособие написано так, что позволяет студентам некоторые разделы, а при желании и все пособие, изучить самостоятельно.

1. Закономерности первичной

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ РАСПЛАВА

1.1. Предкристаллизационное состояние расплава

Металлы и сплавы могут находиться в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Имеются убедительные доказательства того, что существует относительно устойчивая связь между структурой металлов в жидком и твёрдом состояниях. Об этом свидетельствует малое изменение большинства свойств металлов -плотности электропроводности, теплоёмкости - при переходе их из жидкого в твёрдое состояние. Доказательством существования данной связи служат также результаты спектральных исследований; схемы рентгенографических спектров металлов в разном агрегатном состоянии приведены на рис.1.1.

)

Рис. 1.1. Схемы рентгеновских спектров

Так как спектральные зависимости определяются характером межатомных связей, то можно сделать следующие выводы:

а) в газообразном состоянии расположение атомов хаотично; связи между атомами нарушены;

б) в жидких металлах сохраняется (по отношению к твёрдым) подобие системы атомной структуры, распространяющейся на несколько атомных расстояний (так называемый ближний порядок); увеличение межатомных расстояний можно характеризовать несколькими процентами (5 -10 %);

в) в закристаллизовавшихся металлах система атомных связей сохраняется в кристаллах макроскопических размеров, т.е. сохраняется как ближний, так и дальний порядок в атомной структуре.

Согласно модели Я.И.Френкеля в жидкости непрерывно возникают и разрушаются некоторые атомные скопления (кластеры) с упорядоченным расположением атомов. Устойчивость (время жизни) кластеров характеризуется вероятностью

(1.1)

где М - коэффициент, определяющий скорость обмена энергией u между кластером и окружающими атомами;

R -универсальная газовая постоянная;

T- температура.

В жидких металлах могут существовать кластеры размером в тысячи и десятки тысяч атомов. Этим можно объяснить проявление эффекта наследственности структуры, которая сохраняется даже при нескольких переплавах и последующей кристаллизации (но только при определённых условиях).

Таким образом, в расплаве (при незначительном перегреве) имеются атомные скопления, которые могут играть роль дозародышевых частиц или даже центров кристаллизации.