Криві охолодження. Залежніть температури від часу

τ

Охолодження металів в рідкому стані супроводжується плавним зниженням температури до рівноважної і далі до фактичної.

Переохолодження до температури, нижчої за Ts, створюються умови, необхідні для кристалізації.

При досягненні фактичної температури з’являється горизонтальний майданчик-плата, при цьому температура тримається на одному рівні. Це відбувається тому, що відвід тепла при охолодженні до фактичної температури компенсується теплом, що виділяється при кристалізації (кожна речовина має свою питому теплоту).

У деяких металів, наприклад Sb, через велике переохолодження в перший момент кристалізації, процес проходить досить бурно, потім температура стрибкоподібно підвищується, наближуючись до термодинамічної.

 

Механізм кристалізації

У 1878 році Д.К.Чернов, вивчаючи структуру литої сталі вказав, що процес кристалізації складається з двох стадій:

· Утворення зародків (центрів кристалізації).

· Ріст зародків.

Модель Міркіна – модель кристалізації

Відповідно до цієї моделі засновано: на майданчику, що зображено на малюнку, за 1 секунду з’являється 5 зародків, які ростуть з визначеною швидкістю. До кінця першої секунди з’являється 5 зародків, до кінця другої секунди – 5 зародків виростає і одночасно з ними з’являється ще 5 зародків. Так, у результаті утворення зародків та їх росту відбувається процес кристалізації, що закінчується на сьомій секунді. Така модель кристалізації дозволяє пояснити 2 важливих моменти:

1).

τ

В міру розвитку процесу кристалізації, в ньому бере участь все більша кількість кристалів. Процес спочатку прискорюється, поки взаємне зіткнення кристалів не починає помітно перешкоджати їх зростанню, після чого процес кристалізації уповільнюється, тим паче, що рідини, в якій утворюються нові центри кристалізації, стає все менше і менше.

 

2). У процесі кристалізації, поки кристал оточений рідиною, він має правильну форму, але при зіткненні і зростанні кристалів їх правильна форма порушується, при цьому зовнішня форма кристала виявляється залежною від умов дотику зростаючих кристалів. Тому кристали металу не мають правильної форми.

Процес кристалізації залежить від:

-кількості центрів кристалізації(ц.к) [1/мм³ *c]

-швидкості зростання кристалів [мм/мин]

Але не всі зародки будуть центрами кристалізації.Збільшення розмірів кристалів, що зароджуються, спочатку призводить до зростання ∆G (об’єм маленький, а поверхня відносно велика), але при деякому критичному розмірі зародку його збільшення призводить до зменшення ∆G.

r-розмір зародку

r_{кр –} критичний розмір

ς – поверхневий натяг

r_{кр =} 2σ /∆G

-рівняння залежності критичного розміру від поверхневого натягу і вільної енергії Гіббса. Це мінімальний розмір вільного до зростання зародку. По цьому рівнянню можна вирахувати чи буде зростати кристал.

r_зар ≥ r_кр

за даної умови кристал буде зростати мимовільно, так як це призводить до зменшення вільної енергії.

Якщо r_{кр >} r_зар - зародок не може зростати.

Тому структура будь-якого металу залежить від швидкості кристалізації і числа центрів кристалізації, і, відповідно, технологічні характеристики будуть від цього залежати.

 

Величина зерна

Чим вища швидкість утворення зародків і менша швидкість їх зростання, тим менший розмір кристала (зерна). Отже, більш мілкозернистою буде структура металу. Тому величина зерна S буде знаходитись в залежності:
S=1,1(c.к/ч.ц)^3/4

Розмір зерна металу сильно впливає на його механічні властивості, особливо в’язкість та пластичність. Величина зяряда залежить не тільки від ступеня переохолодження, але і від швидкості заливки і температури нагріву рідкого металу, його хімічного складу і наявності домішок.

Для отримання дрібнозернистої структури металу в рідкий метал вводяться домішки, які називають модифікаціями, а сам процес – модифікуванням. Модифікатори практично не зміюють хімічного складу сплаву, викликаючи при кристалізації подрібнення зерна, при цьому покращуючи механічні характеристики.

Досить визначеної теорії модифікування неіснує, адже склад і кількість модифікаторів визначають емпірично.

В якості модифікаторів при модифікуванні Al сплавів застосовують Ti, Vn, Zr. Для сталі – Al, Vn, Ti, для чугуну – Mg. Для залізних та нікелевих сплавів – B.

 

Дендрити

Якщо на боковій поверхні зростаючого кристала утворюється горбик, то кристал набуває здатніть рости і в боковому напрямку в результаті утворюється деревовидний кристал, який називають дендритом, його структурну схему ввів Чернов.

Дендритна будова типова для литого металу. Згідно зі схемою Чернова, дендрит складається зі ствола, який називають віссю першого порядку, від нього відходять гілки – осі другого і подальших порядків. Чим швидше було виконано охолодження при кристалізації, тим менші розміри і відстань між гілками другого і подальших порядків.

 

 

Лекція №6

Будова злитку

Описав будову сталевого злитку Чернов Д. К. Сруктура литого складається з трьох основних зон:

1. Зовнішня дрібнозерниста кірка, яка складається із дезорієнтованих кристалів дендритів. При першому дотику зі стінками форми в тонкому прилеглому шарі рідкого металу виникає різкий градієнт температур і явище переохолодження, що призводить до утворення великої кількості центрів кристалізації, в результаті кірка набуває дрібнозенистої будови.

2. Зона стовбчатих кристалів. Після утворення самої кірки умови тепловідводу змінюються (через тепловий опір, підвищення температури стінок форми і тд.), градієнт температур в прилеглому шарірідкого металу різко зменшується і, відповідно, зменшується ступінь переохолодження сталі. В результаті з невеликої кількості центрів кристалізації починають рости нормально орієнтовані до поверхності кірки (в напрямку відводу тепла) стовбчасті кристали.

3. Зона рівноосьових кристалів. Зародками кристалів виступають різні дрібні домішки, які наявні у рідкрму металі або випадково потрапили до форми, які не розчиняються у кристалі.