- •1. Теория я.И.Френкеля о квазикристаллическом строении жидких сплавов и три основных вывода из этой теории. Свойства жидких сплавов с позиции теории я.И.Френкеля.
- •2. Природа кластеров. Неметаллические включения в расплавах и влияние их на свойства жидких расплавов.
- •3. Свойства жидких сплавов: вязкость, плотность. Зависимость их от температуры сплава. Расчет плотности и температуры сплавов
- •4. Смачиваемость и поверхностное натяжение.
- •5. Определение смачиваемости жидким сплавом литейной формы методом «лежащей капли» и регулирование смачиваемости с целью предупреждения пригара на отливках (рисунки, формулы)
- •6. Диффузия . Давление паров металла
- •7.Тепловые свойства металлов. Электрическое сопротивление жидких металлов.
- •8. Термодинамические основы плавильного процесса. Основные законы термодинамики
- •9. Классификация шихтовых материалов, свойства.
- •10. Расчет шихты, понятия о принципах составления шихты , исходные компоненты добавки.
- •12. Основные химические взаимодействия между расплавом, атмосферой, шлаком, футеровкой, флюсами.
- •13. Состояние примесей в сплавах. Выбор способа очистки сплавов от примесей. Комплексные способы очистки. Технологические приемы очистки сплавов (классификация способов, рисунки).
- •14. Рафинирование, раскисление и модифицирование металлических расплавов
- •15. Способы обработки металлических расплавов с целью измельчения структуры в литых изделиях.
- •17. Обосновать возникновение в отливках а) газовой пористости, б) неметаллических включений, несоответствия геометрических размеров.
- •18. Классификация способов заливки форм. Структура потоков расплава. Конфигурация и параметры свободной струи расплава.
- •19. Закон непрерывности потока жидкого сплава в каналах литейной формы; шлакозадержание и тонкая очистка сплавов элементами литниковой системы (формулы, рисунки)
- •20. Обосновать необходимость расчета каждого из элементов литниковой системы, основываясь на функциях каждого элемента и законах течения расплавов (рисунки)
- •21. Основы расчета литниковых систем приближенным универсальным методом
- •22. Давление расплава на стенки формы. Изменение давления в вертикальных и горизонтальных каналах.
- •23.Виды брака отливок, возникающие при неправильном конструировании и расчетах литниковой системы.
- •24. Жидкотекучесть сплавов, связь ее с положением сплава на диаграмме состояния и зависимость от различных факторов со стороны формы и сплава (диаграммы, графики)
- •25. Заполняемость литейных форм жидким расплавом. Зависимость ее от свойств сплава и конструктивных особенностей формы. Мероприятия по улучшению заполняемости форм для тонкостенных отливок
- •26. Взаимодействие металлических расплавов с кислородом, водородом, азотом. Способы дегазации расплавов
- •27. Взаимодействие металлических расплавов со сложными газами. Меры предупреждения газонасыщения
- •28. Состав литейной разовой формы и физико-химические взаимодействия с ней жидких сплавов
- •29. Дефекты отливок связанные с литейной формой.
- •30. Теплофизические и технологические свойства сплавов материалов формы
- •31. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов: пригара; ужимин; наростов.
- •32. Физико-химические процессы на границе «металл-форма» и образование дефектов ситовидной пористости; засоров и неметаллических включений.
- •33. Зависимость структуры металла в отливках от процесса теплопередачи. Регулирование тепловых процессов в литейной форме
- •3 4. Типы литейных форм.
- •35. Методы исследования тепловых процессов в литейной форме.
- •38. Гомогенное и гетерогенное зарождение центров кристаллизации. Объемная и последвательная кристаллизация.
- •39. Последовательная и объемная кристаллизация сплавов. Зависимость заполняемости форм от характера кристаллизации. Теоретические предпосылки и приемы регулирования структуры в литом изделии
- •40. Теоретические предпосылки и технологические приемы регулирования кристаллического строения литого сплава.
- •41. Параметры кристаллизации (лск, цк) и зависимость их от технологических факторов
- •42. Переохлаждение сплавов и зависимость от него формы т размеров зерен.
- •43. Кристаллизация металлов и сплавов. Кластеры и наследственность. Кристаллизация на примесях, активация примесей
- •44. Область затвердевания и формирование структурных зон.
- •45. Двухфазная область кристаллизации и параметры кристаллизации; связь их с энергией Гиббса и диаграммами состояния сплавов
- •46. Дефекты отливок, образующие в процессе кристаллизации.
- •47. Методы исследования затвердевания металла в отливки
- •48. Ликвационные процессы в отливках. Виды дефектов, возникающие в результате ликвации компонентов в сплаве.
- •49. Внутрикристаллическая и зональная ликвация в отливках. Связь ликвационных процессов с условиями затвердевания отливки.
- •50. Технологические приемы, обеспечивающие снижение химической неоднородности по сечению отливки (диаграммы, рисунки)
- •51. Влияние вибрации, перемешивания ультрозвуковой обработки на структуру металла в отливки
- •52. Влияние модифицирования, активации примесей, термовременной обработки, суспензионного литья на структура расплава.
- •53 Влияние структуры металла в отливке на ее физико- механические свойства.
- •54. Теоретическое обоснование и технологические приемы , обеспечивающие формирование мелкозернистой и крупнозернистой структуры.
- •55. Физическая природа объемной усадки металлов и сплавов при затвердевании. Коэффициенты объемной усадки сплавов (формулы, диаграммы, рисунки)
- •56. Механизм образования усадочной пористости в отливках, факторы, влияющие на образование усадочных пор. Технологические приемы, обеспечивающие предупреждение усадочной пористости в отливках
- •57. Зависимость вида усадочных пустот от положения сплава на диаграмме состояния. Влияние характера кристаллизации на механизм образования усадочных пустот
- •58. Технологические приемы, обеспечивающие предупреждение усадочной пористости. Мероприятия по борьбе:
- •59. Механизм образования концентрированной усадочной раковины в отливках и технологические приемы, обеспечивающие такой механизм кристаллизации отливок (диаграммы, рисунки)
- •60. Концентрированная усадочная раковина и рассеянная усадочная пористость.
- •61. Свободная и затрудненная усадка отливок из различных сплавов.
- •62. Питание и затвердевание отливок. Прибыли и основы их расчета
- •63. Направленная кристаллизация. Прибыли, их назначение и основная классификация.
- •64. Факторы учитываемые при расчете и выборе формы и местоположения прибыли . Универсальные методы расчета.
- •66. Напряжения в отливках. Виды напряжения. Меры предупреждения напряжений.
- •68. Трещины в отливках. Виды трещин. Меры предупреждения трещин.
- •69. Факторы, влияющие на возникновение напряжений и трещин в отливках. Механизм образования этих дефектов. Мероприятия по их предупреждению или устранению
- •70. Трещины горячие и холодные. Процесс образования горячих трещин в отливках.
45. Двухфазная область кристаллизации и параметры кристаллизации; связь их с энергией Гиббса и диаграммами состояния сплавов
После выпуска металла из плавильной печи в ковш при температуре tк в течение времени к металл выдерживается и охлаждается в ковше (рис.1,а). Это необходимо, чтобы доставить ковш от участка плавки к месту заливки форм, а также произвести ковшевые металлургические операции (например, добавка модификаторов для получения заданной структуры и свойств литого металла). По достижении требуемой температуры заливки tзал производится заливка металла в форму. С этого момента и до момента выбивки в (извлечение из формы) металл охлаждается в форме (рис.1,б), отдавая ей свою теплоту перегрева tпер над ликвидусом, теплоту затвердевания в интервале ликвидус-солидус tинт, а затем – теплоту охлаждения в -твердом состоянии от солидуса tс до температуры фазового превращения tпр и в ( + )-состоянии до выбивки из формы.
Рис.1. Изменение температуры сплава состава Со в процессе формирования отливки по диаграмме состояния (а) и во времени (б) при охлаждении в заливочном ковше, в форме и на воздухе
Дальнейшее охлаждение отливки происходит на воздухе.
За время в охлаждения металла в форме от tзал до tв последовательно происходит ряд процессов, определяющих качество отливки:
течение металла при заполнении полости формы и внутри затвердевающей отливки;
кристаллизация металла, то есть переход из жидкого состояния в твердое с образованием центров кристаллизации, рост которых приводит к формированию литой структуры;
выделение растворенных в металле газов при понижении температуры расплава и в процессе его затвердевания с образованием крупных газовых пузырей (газовых раковин) и микроскопических пузырьков (пор);
выделение неметаллических включений, их всплывание в жидком металле и удаление, а также застревание в объеме кристаллизующегося твердожидкого металла;
ликвация примесей в результате избирательной кристаллизации и перемещения жидкой фазы, обогащенной примесями, по сечению отливки с образованием макроскопической (зональной) и микроскопической (дендритной) ликвации;
объемная усадка (сокращение объема) металла при понижении температуры и фазовом переходе с образованием концентрированных усадочных раковин и рассеянной усадочной пористости;
линейная усадка (сокращение наружных размеров) отливки, вызывающая появление деформаций, напряжений, коробления и трещин.
Перечисленные процессы, включающие сложный комплекс взаимосвязанных физических явлений теплообмена, гидродинамики, диффузии, фильтрации и т.д., при нерациональной технологии изготовления отливки приводят к появлению многообразных дефектов.
Литейные сплавы всегда кристаллизуются в интервале температур, и область затвердевания располагается между изотермическими поверхностями в отливке с температурами ликвидуса и солидуса .
Область затвердевания состоит из твердожидкой зоны (скелет из твердой фазы и включения жидкой фазы) и жидко-твердой зоны (жидкость с включениями разрозненных выделений твердой фазы).
Если из незатвердевшей отливки вылить жидкую фазу, то с ней удалится жидко-твердая зона. Поэтому граница между двумя зонами области называется выливаемостью.
В твердожидкой зоне выделяется участок, в котором жидкая фаза разобщена растущими кристаллами и не может подпитываться по микроканалам. Граница этого участка - граница питания; на диаграмме состояния она располагается несколько ниже границы выливаемости (нулевой жидкотекучести).
Границы 1, 2, 3, 4, 5 меняются в зависимости от условий охлаждения и характера кристаллизации. Для компактных дендритов и округлых кристаллов успевает образоваться 50-70 % твердой фазы, а граница выливаемости сдвигается к солидусу.
При образовании разветвленных дендритов твердый скелет образуется уже при 15-30 % твердой фазы, а граница выливаемости располагается ближе к ликвидусу(рис.3).
Рис.3. Границы двухфазной области кристаллизации
Последние исследования в области кристаллизации отливок показали, что во всех отливках можно предполагать определенную последовательность твердения от внешней поверхности к центру. Паттерсон разделяет последовательное затвердевание на четыре типа, а именно: А – экзогенное с ростом компактных кристаллов; В – экзогенное с ростом дендритных кристаллов; С – эндогенное с ростом компактных кристаллов; D – эндогенное с ростом дендритных кристаллов.
Механизм протекания процесса затвердевания сильно влияет на характер фронта кристаллизации, от которого, в свою очередь, зависят количество расплава, изолируемого в процессе затвердевания от остального объема жидкой фазы, и склонность к образованию некоторых характерных пороков
При одинаковых условиях затвердевания (одинаковая среда, в которую заливается металл при одинаковых условиях) с повышением содержания добавляемого элемента в сплаве происходит переход от экзогенного роста компактных кристаллов к эндогенной дендритной кристаллизации.
Как только температура сплава у стенок формы упадет до температуры ликвидуса, в этой зоне начинается кристаллизация. В случае если сплав затвердевает в интервале температур, то в зоне затвердевания присутствуют две фазы (твердая и жидкая). В момент, когда температура сплава упадет до температуры солидуса, затвердевают остатки жидкой фазы, и во всей отливке будет только твердая фаза. В процессе затвердевания одновременно могут существовать три зоны:
зона твердого металла (ξ), толщина которой со временем непрерывно увеличивается;
двухфазная зона (δ), ширина которой зависит от интервала затвердевания и градиента температуры;
зона расплава, ширина которой непрерывно уменьшается.
При дальнейшем понижении температуры сплава ниже температуры солидуса в сплаве может произойти вторичная кристаллизация. Отливка остывает в форме до тех пор, пока ее температура не понизится до значения, при котором ее можно извлечь из формы без опасности образования в ней внутренних напряжений.
Поверхность, которая образует границу между зоной твердого металла и двухфазной зоной, называется изосолидусом (температура соответствует солидусу). Поверхность, которая образует границу между двухфазной зоной и зоной расплава, называется изоликвидусом (здесь температура соответствует температуре ликвидуса заливаемого сплава). В чистых металлах или эвтектических сплавах, которые затвердевают не в интервале температур, двухфазная зона не образуется.
Ширина двухфазной зоны оказывает влияние, как на структуру сплава, так и на степень ликвации. Чем шире двухфазная зона, тем меньше образуется столбчатых (ориентированных) кристаллов. Существенное слияние оказывает ширина двухфазной зоны и на степень дендритной и зональной ликвации, являющейся следствием избирательного затвердевания составляющих сплава как внутри отдельных дендритов, так и стенок отливки.
Ширина двухфазной зоны влияет также на микропористость структуры. При широкой двухфазной зоне образуются изолированные островки расплава, при усадке которых образуются микропоры.
На ширину двухфазной зоны оказывают влияние:
интервал затвердевания сплава, чем больше интервал затвердевания, тем шире двухфазная зона;
температурный перепад по поперечному сечению отливки, который зависит от теплоаккумулирующей способности формы (металлические формы образуют резкий перепад температур), от теплопроводности заливаемого сплава (чем меньше теплопроводность, тем круче температурный перепад), от температуры заливки (чем выше температура металла при заливке, тем меньше температурный перепад вследствие прогрева формы) и от температуры затвердевания сплава.
С повышением температуры число и размеры кластеров уменьшаются. По мере приближения температуры расплава к точке кристаллизации устойчивость и продолжительность «жизни» их повышается, а при определенной температуре они приобретают полную устойчивость и становятся центрами кристаллизации. Происходит спонтанная кристаллизация, и кристаллы начинают расти на кластерах. Для начала кристаллизации необходимо уменьшить свободную энергию, то есть переохладить расплав, отвести некоторое количество теплоты, чтобы на имеющихся зародышах начался рост кристалла.
Зависимость свободной энергии G от температуры, как следует из рис.9 различна для жидкой и твердой фаз. При температуре меньше То, более низкую свободную энергию G имеет жидкая фаза, поэтому она будет более устойчивой.
При Тo кривые пересекаются - это температура термодинамического равновесия фаз и в этом случае Gт = Gж, то есть обе фазы обладают одинаковой энергией, достаточной для внешней работы.
П роцесс кристаллизации может устойчиво идти при условии Gт < Gж, для чего требуется, чтобы температура кристаллизации (Ткр) была ниже То.
Рис. 9. Изменения свободной энергии жидкой Gж и твердой Gт фаз в зависимости от температуры
Разность температур То – Ткр = Т называется переохлаждением, которое обеспечивает достаточную для начала кристаллизации разность свободных энергий Gж – Gт. За счет разности энергий возмещается работа, необходимая для образования и роста зародышей: А = 32 3 [ М.То / q(То- Ткр)]2, где – поверхностное натяжение на грани растущего кристалла; М – молекулярная масса вещества кристалла; – плотность вещества кристалла; q – теплота плавления 1 моля вещества кристалла; То –Ткр – степень переохлаждения.
Свободная энергия (энергия Гиббса) определяется соотношением: G = E – TS + pV = H – ST, где Е – внутренняя энергия, S – энтропия (мера разупорядоченности фазы, то есть мера рассеянной энергии); Т – абсолютная температура; р – давление; V – объем; Н – энтальпия.
При температуре равновесной кристаллизации То: Gт = Gж, то есть Нж – SжТо = Нт – SтТо.
Разность энтальпий жидкой и твердой фаз равна теплоте кристаллизации: Н = L = Hж – Тт = (Sж – Sт)То = Sto, то есть L = Sto.
При переохлаждении Т с выделением теплоты кристаллизации происходит уменьшение объемной свободной энергии (химической составляющей энергии Гиббса): GV = (Gж – Gт) V, где V – объем.
При образовании сферического зародыша: GV = -LT/To*4/3r3 одновременно происходит повышение объемной и поверхностной энергии (GS) в результате образования поверхности раздела фаз GS = 4r2.
Следовательно, процесс кристаллизации протекает в результате изменения общей свободной энергии: Gобщ = GV + GS = -LT / To 4/3 r3 + 4r2
После дифференцирования и преобразований находят критический радиус зародыша: rкр = 2То / LT = 2Мто / q (To - Ткр).