Кристаллизация сплавов. Контрольная работа.

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по предмету «Кристаллизация сплавов».

Вопрос 1: Современные представления о строении жидкости (расплавленных металлов).

Проанализировав взгляды разных ученых на протекание процессов кристаллизации, можно с определенной степенью достоверности представить последовательность формирования кристаллического строения, приближенно и только качественно предсказать кристаллическое строение, которое приобретет отливка в реальных условиях литья.

        Одним из основных положений современной описательной теории кристаллизации является то, что самопроизвольное зарождение кристаллов в реальных условиях литья технических металлов и сплавов практически невозможно.  В большинстве случаев кристаллизации металлов и сплавов зарождение кристаллов происходит на нерастворимых в расплаве примесях. Гетерогенное зародышеобразование начинается при гораздо меньшем переохлаждении, чем самопроизвольное.

       Единой теории строения жидкости, а также связанных с ней теорий плавления и кристаллизации в настоящее время пока не существует. По мнению И.В.Гаврилина, то, что существующие проблемы не решаются известными средствами, указывает на принципиальный характер имеющихся затруднений, на то, что нужны новые идеи, понятия и решения. Он предложил свой принцип подхода к строению твердых и жидких металлов, который заключается в том, что все тела состоят в равной мере как из элементов вещества (атомов, молекул),так и из элементов пространства, обладающих свойствами физического вакуума. Элементы вещества и пространства в телах находятся в непрерывном взаимодействии. Любые свойства физических тел определяются не только свойствами элементов вещества, но и свойствами элементов пространства в них, а также зависят от особенностей взаимодействия в них элементов вещества и  элементов пространства.

Вопрос 2: Опишите кинетику кристаллизации. Какие факторы определяют кинетику кристаллизации.

      На процесс формирования кристаллического строения отливки оказывает влияние кинетика процесса кристаллизации, характеризующая его протекание во времени.

      В процессе кристаллизации следует различать две стадии: образование зародышей кристаллов и рост этих зародышей. Количественные параметры для описания процесса кристаллизации: скорость зарождения центров кристаллизации и скорость роста кристаллов.

      При наблюдении за кристаллизацией прозрачных органических веществ было установлено, что оба этих параметра. Графически эта связь показана на рисунке. Обе эти кривые имеют максимум, но при различном переохлаждении. На некотором участке вблизи от равновесной температуры, то есть при малых переохлаждениях, оба параметра практически равны нулю. Этот участок называют интервалом метастабильности расплава. Интервал метастабильности для скорости роста меньше, чем для числа центров. Кривая один, показывающая скорость роста, опережает в своем подъеме кривую два, максимум кривой один достигается при меньших переохлаждениях. Снижения скоростей роста и числа центров при больших переохлаждениях объясняется малой скоростью диффузии в переохлажденном расплаве.

      Дальнейшие эксперименты с металлическими расплавами показали, что данные кривые сохраняют свое значение и для теории кристаллизации сплавов. Основное отличие заключается в том, что при кристаллизации металлов и сплавов обычно реализуются только восходящие ветви кривых. Но в последнее время применение сверхвысоких скоростей охлаждения позволило достичь таких переохлаждений, при которых металлические сплавы переходят в аморфное состояние.

      Взаимное положение кривых показывает, как можно регулировать размер зерна в отливках. При малых скоростях охлаждения и соответственно число возникших зародышей (центров кристаллов) мало, а скорость их роста достаточно велика. В результате в отливке образуется крупнозернистая структура. При больших переохлаждениях зародышей, способных к росту, значительно больше и получается мелкозернистая структура.        

      Кристаллизация – это переход  вещества из жидкого состояния в твёрдое, заключается в образовании кристаллических зародышей и их росте при достижении расплавом определённой температуры.

 

      Согласно теории гомогенного зарождения, кинетика кристаллизации определяется двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации и линейной скоростью роста кристаллов.

Вопрос 3. Образование зоны столбчатых кристаллов.

Кристаллизация начинается в поверхностном переохлажденном слое отливки. Переохлаждение появляется в момент соприкосновения расплава с холодной литейной формой. Это переохлаждение очень кратковременное и распространяется на небольшой слой расплава. Первее кристаллы зарождаются на стенках формы.

Если в переохлажденном слое присутствует много активных приме­сей, то кристаллы растут во всем объеме этого слоя. Каждый кристалл ок­ружен переохлажденным расплавом и может развиваться во всех направ­лениях с одинаковой скоростью. Рост этих кристаллов прекращается при встрече с соседями. Так как кристаллы возникли и росли одновременно, то их размеры оказываются примерно одинаковыми. Образуется обособлен­ная область мелких равноосных кристаллов. Ее называют резкоохлажден­ной зоной или зоной замороженных кристаллов. При получении отливок с толщиной стенки 3-5 мм в металлических литейных формах эта зона за­нимает всю толщину стенки. Столбчатые кристаллы образуются в резуль­тате конкуренции между растущими мелкими кристаллами. Как указыва­лось, рост большинства мелких кристаллов прекращается при исчезнове­нии расплава на границах между ними. Однако кристаллы, главная ось ко­торых совпадает с направлением теплоотвода, будут продолжать врастать в расплав. Если это совпадение полное, то кристаллы будут расти быстро, без всяких ограничений. Кристаллы, у которых направление роста лежит под углом к температурному градиенту, вскоре упрутся в своих более благоприятно ориентированных соседей и прекратят рост. Из большого числа мелких кристаллов лишь некоторые превратятся в столбчатые. Это явление называют выклиниванием.

Схема перехода от резкоохлажденной зоны к столбчатой показана на рисунке. Если число активированных примесей в переохлажденной зоне не­велико, то кристаллы, зародившиеся на них, не смогут помешать росту техкристаллов, которые зародились на самой стенке формы 1. Часть кристаллов 2 выкли­нивается, и их рост прекращается. Осталь­ные кристаллы 3, ориентированные главной осью параллельно направлению теплоотво-да, получают возможность беспрепятствен­ного роста в расплав 4 и приобретают столб­чатую форму. При таких условиях, когда в расплаве мало активированных примесей, в резкоохлажденной зоне отсутствуют мелкие равноосные кристаллы, она становится уже. При увеличении температуры заливки и бы­стром охлаждении этот слой будет еще тоньше и в конце концов станет макроско­пически невидимым. При дальнейшем про­движении зоны столбчатых кристаллов в глубь расплава механизм конкурентного роста продолжает действовать. В результате выклинивания число столбча­тых кристаллов уменьшается, а их ширина увеличивается. Столбчатая зона может дойти до центра отливки и встретиться с другой столбчатой зоной. Такой вид структурообразования называется транскристаллизацией.

Зона столбчатых кристаллов тем больше, чем меньше интервал кри­сталлизации и чем интенсивнее теплоотвод. Отливки из чистых металлов и узкоинтервальных сплавов наиболее склонны к транскристаллизации. Способствует увеличению количества столбчатых кристаллов и очистка расплава от примесей, которые могли бы быть дополнительными центрами кристаллизации.

Вопрос 4. Взаимодействие расплавленных кристаллов с газами. Общая характеристика возможного поведения газов в контакте с расплавом.

Процессы плавления и кристаллизации литейных сплавов протекают в условиях прямого контакта с газовой фазой. Она может представлять со­бой обыкновенный воздух, воздух и продукты горения топлива или специ­ально созданную атмосферу из различных, чаще всего инертных или ней­тральных, газов. Некоторое количество газов может присутствовать в ших­товых материалах, выделяться в ходе протекания химических реакций с участием металлов, флюсов и огнеупорных материалов.

Между расплавом и газами могут протекать сложные физико-химические процессы, в результате которых в отливках появляются раз­личные растворимые и нерастворимые примеси и дефекты газового проис­хождения.

При длительном соприкосновении расплава с газовой средой воз­можны три варианта их пути к равновесному состоянию:

  1. Газовая фаза является инертной по отношению к расплавленно­му металлу. В этом случае газ не вступает с расплавом в химическое взаи­модействие и не растворяется в жидком металле или его растворимость на­столько мала, что он не оказывает никакого влияния на процессы плавки и кристаллизации. Таким поведением по отношению к расплаву отличаются, в первую очередь, инертные газы нулевой группы периодической системы: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Частично или полностью инертно, до какой-то определенной температуры, могут вести себя и некоторые другие газы. В первую очередь это относится к азоту. При плавке в атмосфере та­ких газов нет загрязнения расплава оксидами или другими продуктами хи­мических реакций, нет и его потерь. Это лучший вариант ведения плавки. Такая инертная атмосфера (ее называют защитной) создается искусствен­но. Примером может служить плавка магниевых сплавов под защитными газами (аргон, азот).
  2. Газ растворяется в расплавленном металле. В этом случае в рав­новесии будут находиться насыщенный жидкий раствор газа в металле и газовая фаза. После достижения предельной концентрации в растворе, из­быток газа может вступать и в химическое взаимодействие с расплавом, но решающее влияние на свойства металла в затвердевшей отливке оказывает поведение именно растворенного газа. Наибольшую растворимость в про­мышленных сплавах имеют водород и азот.
  3. Газ и расплав образуют устойчивые химические соединения. Та­кое взаимодействие можно наблюдать при плавке большинства металлов и сплавов в окислительной среде, содержащей свободный кислород, азот и некоторые сложные газы. Расплавленный металл покрывается окисными пленами, загрязняется оксидами, нитридами и другими соединениями.

Процесс взаимодействия газа с жидким металлом многоступенча­тый. Сначала молекулы газа достигают поверхности расплава путем моле­кулярной диффузии. Следующим этапом является переход молекул газа на поверхность расплава путем адсорбции. Адсорбцией называется самопро­извольный процесс притяжения молекул газа поверхностью твердого или жидкого вещества. При адсорбции происходит уменьшение поверхностно­го натяжения и свободной энергии системы. При физической адсорбции на поверхности твердой или жидкой фазы образуется адсорбированный газо­вый слой толщиной, равной диаметру газовой молекулы. Адсорбция про­текает и при повышенных температурах. Она сопровождается частичной диссоциацией молекул на атомы. Такой вид адсорбции называется хемо-сорбцией. Скорость хемосорбции возрастает при повышении температуры и давления газа. Толщина газового слоя больше, чем при физической ад­сорбции. Диссоциация наблюдается в слое толщиной в 2-3 молекулы.

В дальнейшем атомы газа с поверхности металла могут диффунди­ровать в глубь расплава и образовывать жидкие растворы внедрения или вступать в химическое взаимодействие.

 

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *