твердое тело
Но нужно учитывать и то, что граница между зародышем и жидкостью имеет энергию - поверхностная свободная энергия.
Общее изменение энергии
объемная энергия
поверхностная энергия
общая энергия
Если радиус зародыша слишком мал, ,
его рост привел бы к росту свободной энергии. Поскольку это недопустимо, то зародыш расплавляется. Если же радиус превосходит критический, ,
то рост зародыша вызывает уменьшение полной энергии. Такие шарики являются стабильными центрами кристаллизации, и с их ростом начинается затвердевание
- разность объемной свободной энергии для твердого тела и жидкости.
Здесь - скрытая теплота плавления (разность между энергией жидкости и твердого тела при температуре плавления (она равна количеству теплоты, выделяемой в процессе перехода жидкость т/т)).
- температура плавления,
- переохлаждение.
По мере возрастания переохлаждения критический радиус (требующийся для нуклеации) уменьшается.
В этом случае радиус достигается при очень малой общей границе между жидкостью и т/т. Всего несколько атомов, соединяясь вместе, дают твердое ядро необходимого радиуса. Поэтому для достижения критического размера требуется гораздо меньшее переохлаждение и нуклеация идет быстрее.
В промышленных условиях частицы примесей специально вносятся в жидкость.
Например, в Al сплавы добавляется смесь 0.03% титана и 0.01% бора. Мельчайшие частицы образуют места будущей нуклеации. На каждой частице одновременно начинает расти большое число зерен. Большая площадь поверхности зерна обеспечивает так называемой зернограничное упрочнение в металлах.
Кривая охлаждения (красная) показывает зависимость температуры от времени.
Дополнительная теплота –пропорциональна разности между температурой заливки и температурой затвердевания.
При этом жидкость охлаждается благодаря отводу теплоты в стенки формы вплоть до температуры затвердевания. Скорость охлаждения дается наклоном кривой в этой области
Любой маленький выступ, возникший на границе раздела, окружается горячей жидкостью и исчезает. Поэтому граница раздела достаточно ровная, без больших выступов
При хорошей нуклеации в еще достаточно горячей жидкости происходит планарный рост (плавное движение границ раздела жидкость – т/т вглубь жидкости):
Планарный рост
т/т дендрит
жидкость
направление роста
т/т
переохлажденная жидкость
расстояние
По мере того, как твердотельный дендрит растет, скрытая теплота отводится в переохлажденную окружающую жидкость. Температура жидкости возрастает до равновесной температуры плавления.
Дендритный рост происходит до тех пор, пока переохлажденная жидкость не нагреется до температуры плавления.
Оставшаяся жидкость затвердевает путем планарного роста.
В чистых металлах дендритный рост обычно составляет малую долю общего роста. Доля дендритной фракции D дается формулой:
- переохлаждение
-удельная теплоемкость жидкости
Дендритный рост
-скрытая теплота плавления
Скорость затвердевания соответствует скорости роста твердотельной корки (d-толщина корки):
-время после заливки
-постоянная отливки и литейной формы
-постоянная, зависящая от температуры заливки
Затвердевание начинается с поверхности, когда тепло диссипирует в материал формы.
В случае протяженных заготовок с постоянной площадью поперечного сечения (прутков, труб, балок и проч.) эту формулу можно использовать для оценки времени затвердевания (в этом случае d равна, например, радиусу прутка).
В случае же заготовок, размеры которых сравнимы во всех трех измерениях, используют различные приближенные формулы. Например, правило Хворинова:
m, k – постоянные металла
сплавы цинка
сплавы Al
От скорости охлаждения (и, соответственно, времени затвердевания) зависит
характерный размер кристаллитов.
Расстояние между вторичными дендритами сокращается при сокращении времени затвердевания (когда отливка затвердевает быстрее). Это связано с тем, что более мелкая дендритная сетка служит более эффективным проводником теплоты от т/т в окружающую переохлажденную жидкость.
Уменьшение приводит к повышению как прочности, так и пластичности.
Такая скорость охлаждения недостаточно велика для образования металлических стекол, но она может обеспечить тонкую дендритную структуру. После затвердевания твердые капли могут быть спрессованы методами порошковой металлургии для получения материалов с улучшенными свойствами.
усадочная раковина
Общепринятый метод устранения полос-тей и усадочных раковин заключается в использовании дополнительного резер-вуара с жидким металлом (литника), со-единенного с отливкой. По мере усадки жидкий металл течет из литника и заполняет раковины
литник
отливка
2. Междендритная усадка заключается в возникновении маленьких усадочных пор между дендритами. Этот вид дефектов трудно предотвратить использованием литника. Быстрое охлаждение может уменьшить проблему: дендриты будут короче, позволяя жидкому металлу протекать сквозь дендритную сетку.
жидкий металл
Здесь - парциальное давление газа, контактирующего с металлом, K -постоянная, возрастающая с температурой.
Например, жидкий Al содержит растворенный водород. После затвердевания Al в его структуре остается только небольшая доля водорода. Избыточная часть водорода образует газовые пузырьки в твердом Al, создавая газовую пористость.
Эта пористость может быть сведена к минимуму разными способами:
поддержанием низкой температуры жидкости,
добавлением реагентов, взаимодействующих с водородом с образованием твердотельных частиц,
поддержанием очень низкого парциального давления газа. Для понижения парциального давления плавящийся металл помещают в вакуумированную камеру или пропускают через него пузырьки инертного газа.
Направленное затвердевание – одна из технологий, применяемых при отливке лопастей турбин. Для достижения лучшего сопротивления ползучести и распространению трещин форма нагревается с одного конца и охлаждается с другого.
1.Традиционный 2.Направленный 3.Монокристалл
Равноосные зерна Столбчатые зерна Единичное ядро
Способы выращивания металлических кристаллов
Непрерывная разливка
Направленное затвердевание
Выращивание монокристаллов
Как показано на рис.2, в поперечном направлении отсутствуют границы зерен.
Еще лучшие свойства имеет монокристалл (рис.3), выросший из одного ядра.
Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:
Email: Нажмите что бы посмотреть