работа 1
Мисия
1. Загрейте и изсипете разтопения модел във формата.
2. Измервайте образувалата се кора от кристали на всеки 3 минути.
3. Документирайте резултатите от работата под формата на протокол.
4. Изчислете коефициента на втвърдяване за различни времена.
5. Изградете графични зависимости на дебелината на кората на кристалите от времето за различни температури на изливане.
6. Напишете отчет за работата в съответствие с точките на заданието и направете необходимите заключения.
Да наблюдава процеса на кристализация на прозрачна течност в прозрачен съд. Да се изследват особеностите на кристализацията на слитъка при различни температури на излятата стопилка.
Уреди, материали и инструменти
Прозрачна форма с водно охлаждане, кантар, електрическа печка, стъкло, живачно-стъклен термометър, хипосулфит, линийка.
Основни теоретични положения
Образуването на отливка се влияе от структурата и свойствата на металната течност, нейната температура на прегряване преди кристализация, степента на нейното замърсяване с примеси и други нейни характеристики.
Кристализацията може да възникне както по време на прехода от течно състояние към твърдо състояние, така и в твърдо състояние по време на прехода от една алотропна форма към друга. Във втория случай такава трансформация се наричафазова рекристализация.
Основната причина и движеща сила на процеса на кристализация е стремежът на веществото към най-термодинамично стабилно състояние, т.е. до най-малкото количество свободна енергия.
Правете разлика между теоретична и действителна температура на кристализация. Теоретична (равновесна) температураКристализацията (TS) е температурата, при която свободните енергии на метала в твърдо и течно състояние са равни. При тази температура съществуването на метал както в течно, така и в твърдо състояние е еднакво вероятно. В действителност кристализацията започва само при известно преохлаждане. Температурата, при която на практика протича кристализацията, се нарича действителна температура на кристализация TCR. Разликата между теоретичната и действителната температура на кристализация се нарича степен на преохлаждане DT=TS-TKR. Колкото по-висока е степента на преохлаждане, толкова по-голяма е движещата сила на кристализацията.
Кривите на кристализация при различни скорости на охлаждане са показани на фиг. 1. При бавно охлаждане степента на преохлаждане е малка и кристализацията протича при температура, близка до равновесната. Хоризонталната платформа на термичната крива се обяснява с освобождаването на латентната топлина на кристализация, която компенсира отвеждането на топлина. С увеличаване на скоростта на охлаждане степента на преохлаждане се увеличава. В допълнение към скоростта на охлаждане, степента на преохлаждане зависи от чистотата на метала: колкото по-чист е металът, толкова по-висока е степента на преохлаждане.
Ориз. Фиг. 1. Температурни криви на процеса на кристализация на метала с различни скорости на охлаждане.
Процесът на кристализация се състои от следните два етапа:
1) образуване на центрове за кристализация (ядра);
2) растеж на кристали около тези центрове.
Общата скорост на кристализация зависи от протичането на двата елементарни процеса. Определя се от скоростта на нуклеация на центровете за кристализация (CS) и скоростта на растеж на кристалите от тези центрове (CS) (фиг. 2). Стойностите на SZ и SR зависят от степента на преохлаждане. При равновесна температура DT = 0 и C3 = O, CP = 0. С увеличаването на DT разликата между свободните енергии на метала се увеличавав течно и твърдо състояние (движещата сила на процеса) и при достатъчно висока подвижност на атомите C3 и SR нарастват и достигат максимум. Последващото намаляване на SZ и SR се обяснява с намаляване на подвижността на атомите с намаляване на температурата. При ниски стойности на коефициента на дифузия е трудно да се пренаредят атомите на течността в кристалната решетка на твърдото вещество. При много силно преохлаждане SZ и SR са равни на нула и течността не кристализира, а се превръща в аморфно тяло.
За реалните метали по правило се реализират само възходящи клонове на кривите S3 и SR, като с увеличаване на DT скоростта на двата процеса нараства.
Ориз. 2. Влияние на степента на хипотермия
върху скоростта на нуклеация и растеж на кристалите.
Размерът на зърното зависи от съотношението на SZ и SR. При ниско преохлаждане, например, когато се излива метал в земна форма с ниска топлопроводимост или нагрята метална форма, скоростта на растеж е висока, скоростта на нуклеация е относително ниска. В този случай в обема се образува относително малко количество големи кристали.
С увеличаване на DT, в случай на изливане на течен метал в студени метални форми, скоростта на нуклеация се увеличава, което води до образуването на голям брой малки кристали.
Размерът на зърното се определя не само от степента на преохлаждане, но и от температурата на нагряване и изливане на метала, неговия химичен състав и особено наличието на чужди примеси.
При реални условия спонтанното зараждане на кристали в течен метал е трудно. Различни твърди частици служат като източник на нуклеация: неметални включвания, оксиди и продукти на дезоксидация. Колкото повече примеси, толкова повече центрове, толкова по-фини са зърната. Понякога в метала се въвеждат специално вещества (модификатори), коитопо време на кристализация те допринасят за усъвършенстване на зърното. Модификатори за стомана са алуминий, ванадий, титан; за чугун - магнезий.
По време на кристализацията на истински слитъци и отливки посоката на отвеждане на топлината играе важна роля. Схемата на стоманения слитък, дадена от Chernov D.K., е показана на фиг.3.
Ориз. 3. Диаграма на стоманен блок.
Слитъкът се състои от три зони:
1. дребнозърнеста кортикална зона;
2. зона на колоновидни кристали;
3. вътрешна зона от големи равноосни кристали.
Кристализацията на кортикалната зона се извършва при условия на максимално преохлаждане. Скоростта на кристализация се определя от голям брой центрове на кристализация. Образува се финозърнеста структура.
Течният метал под кортикалната зона е в условия на по-малко преохлаждане. Броят на центровете е ограничен, а процесът на кристализация се осъществява поради интензивното им нарастване до големи размери.
Растежът на кристалите във втората зона има насочен характер. Те растат перпендикулярно на стените на калъпа, образувайки дървовидни кристали – дендрити (фиг. 4). Дендритите растат с посока, близка до посоката на отвеждане на топлината.
Фиг.4 Схема на дендрит според Чернов Д.К.
Дебелината на зоната на колонните кристали до голяма степен зависи от прегряването на метала, тъй като за неговото втвърдяване е необходимо да се отстрани не само латентната топлина на кристализация, но преди всичко топлината на прегряване на метала над точката на ликвидус. Благодарение на това двустепенно отстраняване на топлината винаги има температурен градиент в течното ядро. На фронта на кристализация температурата на течността е близка до нейната температура на кристализация. По оста на слитъка температурата на течността малко след изливането на формата е близка до температурата на изливане. В бъдеще температурата на течността близо до остапостепенно намалява, тъй като има постоянно отстраняване на топлината от прегряване на течността. В момента, когато температурата на течността в близост до оста стане близка до нейната температура на кристализация, температурният градиент в течната сърцевина на слитъка става близо до нула и растежът на колоновидни кристали спира. Започва кристализацията на третата зона на слитъка - зоната на големите равноосни, неориентирани кристали. Леко преохлаждане на течността в близост до фронта на кристализация води до факта, че в този слой може да се появи малко количество кристализационни ядра, способни да растат. Тези кристали растат равномерно във всички посоки и достигат голям размер, тъй като не си пречат един на друг в растежа си. Колкото по-високо е прегряването на течността над точката на ликвидус, толкова по-голямо количество топлина от прегряване на течността трябва да бъде отстранено. Ако температурата на изливане на метала се окаже толкова висока, че топлината на прегряване на течността се запазва почти до края на кристализацията, тогава колонните кристали растат до самата ос на слитъка и третата зона на кристализация не се появява.
Ако температурата на леене е близка до температурата на кристализация на метала, тогава възникват условия за ранно начало на образуването на третата зона на слитъка.
В процеса на кристализация по-чистият метал първо се втвърдява, така че границите на зърната са по-обогатени с примеси. Хетерогенността на химическия състав в рамките на дендрита се нарича дендритна сегрегация.
Зони от колоновидни кристали се съединяват по време на кристализация, това явление се наричатранскристализация.
За метали с ниска пластичност и за стомани това явление е нежелателно, тъй като по време на последващо валцуване, коване могат да се образуват пукнатини в зоната на съединението.
Основните дефекти на слитъка са свиванетообвивка, порьозност и сегрегация. Порьозността на свиване обикновено се образува близо до кухината на свиване и по оста на слитъка. Образуването на кухина на свиване и порьозност се дължи на факта, че всички метали, с изключение на бисмута, имат по-малък специфичен обем в твърдо състояние, отколкото в течно състояние.
Как да свършим работата
За симулиране на процеса на кристализация на метала във формата се използва хипосулфит. Има ниска точка на топене от 48. 52 °C и е прозрачен в течно състояние. Следователно ходът на кристализацията на хипосулфита е достъпен за наблюдение. В твърдо състояние обаче хипосулфитът образува слабо прозрачни бели кристали. Появата дори на тънка кора от такива кристали би попречила да се наблюдава по-нататъшния ход на течната кристализация.
За да се избегнат тези усложнения, моделът на матрицата (фиг. 5) се прави комбиниран. Две от стените му са плочи от плексиглас с ниска топлопроводимост.
В процеса на извършване на работата е необходимо да се претеглят 150 g хипосулфит и да се нагреят в чаша на електрическа печка до предварително определена температура, която се измерва с помощта на живачно-стъклен термометър. След това хипосулфитът се излива в предварително сглобения модел на матрицата и се охлажда с течаща вода. Първо се налива малко количество хипосулфит, като се покрива само дъното на съда. След втвърдяване на тази част, напълнете целия останал хипосулфит.
Ориз. 5. Модел на калъпа.
Веднага след изливането наблюдаваме растежа на втвърдения слой и на редовни интервали от 2 ... 5 минути измерваме и записваме дебелината му. Измерванията се правят в средата на височината на слитъка, като се използва линийка отделно за всяка страна на кристализиращия слитък. В този случай е необходимо специално да се отбележи времето, изминало от момента на попълване доначалото на кристализацията на слитъка на половината от височината му, дебелината на зоната на кората, моментите на началото на образуването на колонни кристали и зони на големи равноосни кристали, дължината на тези зони. Трябва също така да се отбележи наличието на възходящи и низходящи флуидни потоци, от кой момент те стават забележими, дали се наблюдава счупване и движение на кристали.
След приключване на процеса на кристализация моделът на формата се разглобява и слитъкът се отстранява от него. Гравираме повърхността на слитъка с дестилирана вода и скицираме структурата му, като посочваме дължината на съответните зони за половината от височината на слитъка. Диаграмата също трябва да показва местоположението на кухината за свиване и нейните размери. След това сглобяваме модела и изпълняваме цялата последователност от операции за следващата температура, посочена от мениджъра.
Подаване на сигнал за съдържание
1. Накратко посочете причините за образуването на различни кристални зони на слитъка, дайте диаграма на модела на формата, опишете последователността на експеримента.
2. Представете таблица за увеличаването на дебелината на втвърдения слой за експерименти, проведени при различни температури.
| Температура на изливане, °С | Дебелина δ (cm) на кората след време τ, мин | Бележки |
| … | ||
| K, cm/min 1/2 |
В таблицата посочете средната аритметична дебелина на кората за двете страни. В бележката отбележете времето, изминало от момента на изливане до началото на кристализацията на половината от височината на слитъка, момента на началото на образуването на колоновидни кристали и дебелината на втвърдената кора от малки равноосни кристали, момента на началото на образуването на зона от големи равноосни кристали и дължината на зоната на колоновидни кристали. Трябва също да се отбележи дали низходящ и възходящтече течност, в коя част на слитъка и от кой момент, наблюдавано ли е разбиване на кристали. По таблицата се построява графика, на която по абсцисната ос се нанася времето от началото на заливането, а по ординатната ос - дебелината на втвърдения слой за различни температури на заливане. На графиката се отбелязват моментите на образуване на различни зони на слитъка и се посочва тяхната дебелина.
3. Дайте диаграми на структурите на гравираната повърхност на слитъка. Сравнете дължината на различните зони според резултатите от визуалното наблюдение на хода на кристализацията и според резултатите от измерването им върху гравираната повърхност на блока.
4. Формулирайте заключения за ефекта на температурата на изливане върху структурата на слитъка, дължината на различните зони, скоростта и продължителността на втвърдяване, местоположението и размера на кухината на свиване, наличието и местоположението на низходящи течни потоци и разрушаването на колоновидни кристали.
5. Изчислете стойността на коефициента на втвърдяване за горните точки във времето, като използвате формулата
и оценете неговата постоянство или непоследователност в тази работа.