Учебное пособие 800404

Анализ данных табл. 1.1. показывает, что в плотноупакованных структурах координационное число Z почти не изменяется, а в металлических ОЦК- и ГПУ -структурах число ближайших соседей возрастает. Изменение межатомных расстояний при плавлении приводит к увеличению удельного объема (на 3-6%), более значительному для ОЦК- и ГПУ-структур; упаковка атомов в жидком металле и в кристаллической решетке твердого тела показана на рис. I.I, г, д. Незначительные изменения большинства свойств металлов плотности «удельного объема, теплоемкости, межатомных расстояний, электросопротивления и др.) при переходе из твердого состояния в жидкое свидетельствуют о том, что вблизи Tп расплав металла ближе по свойствам к твердому металлу, а не к газообразному. Сопоставление молярных теплот плавления Нпл и испарения Нисп (разница более 20 раз) позволяет сделать вывод о том, что при испарении разрушается полностью механическая связь, а при плавлении - только 10-15 % всех связей.

1.2. Структура жидких металлов при слабом перегреве

Атомная структура расплава при незначительном перегреве отвечает предкристализационному состоянию. Современные модельные представления структуры жидких металлов основаны на идеях Я, И. Френкеля о квазикристаллической жидкости.

Считается, что в жидкости в произвольный момент времени существует ближний порядок; это означает, что мгновенная съемка могла бы зафиксировать структуру, в которой любой атом является составной частью того или иного кристаллоподобного образования флуктуационной природы (clasTer)f которые ориентированы беспорядочно, а между ними имеется свободное пространство. Е.М.Лившиц и Л.Д.Ландау предполагают два вида флук-

11

туаций: гомофаэная и гетеро-фазная; вторые отличаются от первых выраженной поверхностью раздела с основной жидкостью. По представлениям Г.Стюарта гетерофазные флуктуации сохраняют упорядоченное расположение атомов, но не имеет постоянной формы, размеров и поверхности раздела. Эти образования очень мобильны и изменяют свою конфигурацию благодаря переходу атомов от одного из них к другому через промежуточные пустоты, вероятность существования кластеров всевозможных кристаллообразных структур различается; относительная доля таких образований определяется отношением

где Ni - число флуктуации из i - атомов; N - число всех атомов; А - некоторая постоянная; G - увеличение свободной энергии системы в связи с возникновением флуктуации из i -атомов. Чем больше G и ниже Т, тем меньше разных структур данного объема в рассматриваемой совокупности. Размер (статистический) таких флуктуации составляет от 2 до 5 нм, т.е. они содержат от 500 до нескольких тысяч атомов. С повышение температуры количество флуктуаций данного размера уменьшается, а объем "чистой" (без кластеров) жидкости растет. Можно предположить, что в многофазных металлических расплавах одновременно могут сосуществовать кластеры соответствующих фаз твердого металла, например, в чугуне - кластеры, подобные ГЦК - упаковке и кластеры типа Fe3C

.

В жидком состоянии сплавы и чистые металлы отличаются рядом особенностей. В жидких сплавах при малом перегреве сохраняется микрогетерогенность химического состава, выражающаяся в выделении эвтектик или металлидов. Степень проявления микрогетерогенности умень-

12

шается с повышением перегрева, однако, в сплавах эвтектического состава она сохраняется достаточно долго и может быть причиной часто наблюдаемого в литейных процессах эффекта наследственности структуры.

Другой не менее важной особенностью сплавов металлов технической чистоты является присутствие посторонних частиц твердой фазы (шлаков, продуктов размыва литейной формы), частиц - окислов, нитридов, сульфидов, образующихся в результате взаимодействия металла с газами, а также интерметаллидов, графита. По некоторым

оценкам в I мм3 жидкой стали содержание таких частиц превышает 106.

Указанные особенности металлических расплавов позволяют считать жидкое состояние на предкристаллизационной стадии коллоидной системой, в которой частицы твердой фазы имеют достаточно большую поверхность раздела с жидким металлом. Следствием этого является проявление существенного влияния реальной структуры расплава на механизмы затвердевания, кристаллизации и формирование свойств литых металлов.

1.3. Свойства и строение жидких металлов при высоких температурах

В ряде исследований, например /3/, показано, что в области высоких температур Т (I,6-2,0) Tпл как в чистых жидких металлах, так и в многокомпонентных расплавах изменение структурных_ параметров (межатомных расстояний, координационного числа ) и физических свойств (плотности, кинематической вязкости и др.) становится аномальным: в температурных зависимостях (r, Z, )= (T) появляются в области Т=1700-1800 К перегибы; характерные зависимости для жидкого алюминия приведены на рис. 1.2.

13

Рис. 1.2. Температурные зависимости координационного числа Z , межатомного расстояния r , кинематической вязкости ν для жидкого алюминия /3/.

Повышение температуры жидкого алюминия выше указанных сопровождается незначительным понижением Z и существенным ростом r и . Обнаруженные аномалии в настоящее время еще не имеет убедительного теоретического обоснования. Предполагается, что при значительном перегреве распределение атомов в жидком металле становится таким же, как и в газах, т.е. квазигазовым,. Возможность такого поведения жидкого металла вытекает из теории, разработанной Я.И. Френкелем для объяснения процессов диффузии и вязкого течения. Важность учета аномального поведения жидких металлов при высоких температурах связана с необходимостью решения ряда прикладных задач литейной технологии, например, повышения качества литья за счет применения термоциклической обработки сплавов или заливки расплава при высокой степени перегрева.

2. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ РАС- ПЛАВ-ФОРМА

2.1. Процессы затвердевания и кристаллизации

Основной задачей литейного процесса является получение отливки заданной конфигурации, заданного уровня меха-

14

нических свойств, определенного типа кристаллической структуры. Формирование отливки происходит в процессе перехода металла из жидкого в твердое состояние» при этом теплообменные процессы рассматриваются как затвердевание, а теплокинетические - как кристаллизация. С позиций затвердевания удается описать: кинетику нарастания толщины и объема твердой фазы в затвердевающем расплаве; распределение температур по сечению отливки и формы; скорость продвижения фронта кристаллизации по направление к тепловой оси отливки. С позиций кристаллизации рассматриваются: кинетика зарождения и роста кристаллов в затвердевающем расплаве, формы кристаллов, их ориентация и размеры, влияние внешних воздействий - вибрации, ультразвука, электрических полей и др., влияние модификаторов, микрохолодильниковинокуляторов на процессы формирования кристаллического строения отливки. Образование кристаллов при переходе металла из жидкого состояния в твердое принято называть первичной кристаллизацией.

Процессы затвердевания и кристаллизации в большинстве случаев протекают в контролируемых условиях. Для этого необходимо создать определенный температурный градиент у поверхности раздела твердой и жидкой фаз и обеспечить такое его изменение, чтобы межфазная граница (и фронт кристаллизации) двигались в глубь расплава с заданной скоростью. Для продвижения фронта кристаллизации необходимо переохлаждение расплава. Рост кристаллов (и затвердевание) происходят как при положительном, так и при отрицательном температурных градиентах (grad Т ) в расплаве, рис.. 2.1 .

15

как чистых металлов, так и сплавов при этом может происходить с переохлаждением (чаще всего) или без переохлаждения, рис. 2.2. При затвердевании чистых металлов в случае положительного gradT в расплаве фронт кристаллизации считается плоским (гладким) в пределах 10-3см; кристаллизация сплавов, затвердевающих в интервале ∆Т=ТL-ТS , происходит в переходной (двухфазной) зоне, расположенной между твердым металлом и основным расплавом (доля твердой фазы эдесь изменяемся от нуля до единицы).

Рис.2.2. Температурные зависимости затвердевания и охлаждения:кристаллизация сплавов без и с переохлаждением (а,в); кристаллизация чистых металлов без и с переохлаждением (б,г); ТЕ, Тх = температуры кристаллизации и переохлажденного расплава, соответственно

2.2. Температурное поле к его описание

Температурным полем принято считать распределение значений температуры во всех точках тела в каждый момент времени Т » примеры таких полей приведены на рис. 2.2. В зависимости от конфигурации границы раздела и условий теплообмена с окружающей средой температурное поле выражается функцией вида

T(x,y,z,r) - в трехмерном пространстве;

T(Х,У,r)в двухмерном пространстве

(2.1)

17

T (Х,r) - в одномерном пространстве;

где XT У, r. - координаты точек тела в декартовой системе. Совокупность точек тела, имеющих одинаковую температуру, называют изотермой; для трехмерного пространства изотермы представляют поверхности, для двухмерного - кривые линии, для одномерного - прямые линии. Изменение температуры тела в каком либо направлении характеризуют температурным градиентом, т.е. вектором, направленным по нормали к изотерме температурного поля в направлении роста температуры, например, величина проекции температурного градиенте на ось Х запишется gradх Т=∂Т/∂х, где ∂Т/∂х - первая частная производная температуры по X.

тепловой поток, проходящий через единицу изотермической поверхности называют плотностью теплового потока

который можно также определить из закон теплопроводности Фурье

Теплоотдача с единицу поверхности с температурой Т0 в окружающую среду с температурой Тс характеризуют поверхностной плотностью теплового потока q0 ; последнею при конвективном теплообмене можно определить из закона теплоотдачи Ньютона

18

где άк - коэффициент теплоотдачи конвекцией. Разность (То-Тс) называют температурным напором на границе раздела.

Если теплоотдача с поверхности тела происходит через лучеиспускание, то qо определяется законов СтефанаБольцмана

где σ - постоянная Стефана-Больцмана.

Если охлаждение тела происходит в газовой или жидкой средах, которые является оптически прозрачными для инфракрасного излучения, то qо определяется законом полной теплоотдачи

Следует учитывать следующие особенности. При теплоотдаче в вакууме άк 0; при температуре Т0<500; К теплоотдача в обычную атмосферу происходит в основном конвекцией, при Т > 1000 К - тепловым излучением.

Пространственно-временные изменения температурного поля в нагретом теле списываются дафференциальным уравнением теплопереноса

где а = λ/с.ρ - температуропроводимость тела ( коэффициент тепловой диффузии}; ∆2- оператор Лапласа; QL - количество теплоты, выделенной иди поглощенной за единицу времени в единице объема тела; С и ρ - удельная теплоемкость и плотность тела, соответственно. Связь между временным измерением и пространственным распределением температуры в движущейся жидкой фазе определяется уравнением Фурье-Кирхгофа

19