4.3.4.1.4. Средний диаметр фрагментированных дендритов

Все глобулярные частицы являются огрубленными осями низшего порядка одного фрагмента дендрита (зерна).

Изначально необходимо определить удельное количество дендритов.

Где N_Aθ, N_Ar, N_Ah – это удельное количество дендритов в периферийном, радиальном и вертикальном направлениях. Поскольку N_Ar, сложно было определить, то формулу модифицировали:

Теперь средний диаметр фрагментированного дендрита будет следующим:

Метод расчета является наиболее точным для определения размеров фрагмента дендрита, но является слишком трудоемким. Также данный параметр не оценивает морфологию зерна и, следовательно, должен применяться вместе с другим морфологическим параметром альфа -твердого раствора.

4. Размер розеток в структуре полупродукта, можно оценить также с помощью диаметра эквивалентного по площади круга.

, [μm]

Из всех рассмотренных параметров заслуживает внимания только индекс качества реолитья, как наиболее емкий параметр структуры полупродукта, оценивающий средний размер и форму розеток, составляющих скелетона альфа фазы.

4.3.4.2. Оценка микроструктуры тиксотропного материала

До настоящего момента в мировой практике в технологии полутвердой формовки не существует единого комплексного критерия качества тиксотропной структуры. Для оценки тиксотропной структуры пользуются целым рядом параметров.

Наиболее часто применяемыми параметрами являются объемная доля альфа- фазы, средний диаметр и фактор формы глобул альфа- фазы.

Объемная доля альфа -фазы играет одну из ключевых ролей в этой технологии, определяя соотношение жидкое – твердое при температурах обработки металла в полутвердом состоянии. Она определяется по площади занимаемой первичной фазой на исследуемой микроструктуре.

Средний диаметр альфа- фазы определяется как средний диаметр конгломерата следующим образом:

1. Средний диаметр α- твердого раствора определяется как среднее арифметическое длин диаметров проекции конгломерата на плоскость.

2. Средний размер глобул оценивается с помощью диаметра, эквивалентного по площади круга.

, [μm]

где A- площадь зерна

3. Средний диаметр глобулы (конгломерата) по Ферету определяется как максимальная проекция глобулы/конгломерата, полученная при вращении глобулы/конгломерата вокруг его центра тяжести (По ГОСТ не менее 16 поворотов зерна).

Такой размер альфа- твердого раствора является наиболее точным.

Однако, как уже упоминалось ранее материал в жидко- твердом состоянии представляет собой твердый скелетон из альфа - фазы и окружающей его жидкой эвтектики. На двумерном изображении мы видим только составляющие этого скелетона. Конгломерат состоит из нескольких глобул и связи между глобул внутри его настолько прочны, что при приложении внешней механической нагрузки, разрушаются связи между конгломератами, составляющими скелетона, но не глобулами. Поэтому измерение среднего диаметра зерен первичной фазы как параметра качества микроструктуры тиксотропного материала представляется сомнительным. Истинным же размером частиц первичной фазы в микроструктуре тиксотропного материала является диаметр конгломерата зерен альфа фазы. Из выше приведенного анализа следует, что качество микроструктуры тиксотропного материала может быть корректно оценено только в том случае, если структура сплава, подвергнутого повторному нагреву, будет правильно распознана. А именно, будет выполнено определение «слипшихся» границ зерен твердого раствора на основе алюминия, что позволит определить размеры конгломератов зерен.

Фактор формы альфа- фазы определяется по следующим формулам:

1. Традиционный фактор формы №1

,

где A – площадь зерна α - твердого раствора, р – периметр α - твердого раствора.

2. Фактор формы α - твердого раствора №2

,

где N_A- количество зерен α- фазы в единице поперечного сечения образца, f_S- доля твердой фазы, S_V-удельная площадь межфазной поверхности α- жидкость (на плоскости шлифа есть ни что иное, как отношение периметра зернa α- твердого раствора к площади зерна), [μm^-1].

;

где k-коэффициент, представляющий комплексную функцию от доли жидкости поверхностного натяжения жидкость – твердое, коэффициента диффузии в жидкой фазе и начальной морфологии твердой фазы; t- время выдержки.

Известно, что площадь поверхности раздела жидкость - твердое на двумерном изображении может быть рассчитана по следующей формуле:

, [μm^-1]

где L_zl- удельная длина межфазных границ α - жидкость, А- площадь зерна α- твердого раствора.

3. Фактор компактности α - твердого раствора №3

,

A_F- площадь зерна, измеренная с помощью d_F, d_F- средний диаметр по Ферету измеренного зерна, A_m- площадь эквивалентного круга с диаметром d_F.

4. Фактор формы α - твердого раствора №4

,

P_m- периметр измеренного зерна, (P_c)_eq- периметр эквивалентного по площади круга.

5. Фактор формы α - твердого раствора №5

Данный фактор формы игнорирует части поверхности зерен с отрицательной кривизной.

,

где A- площадь зерна, c- выпуклый периметр

Менее распространенными являются следующие параметры: коэффициент смежности; захлопнутая эвтектика; отношение обычного периметра конгломерата к выпуклому периметру; размер дендритной шейки; площадь поверхности конгломерата; протяженность конгломерата.

Коэффициент смежности оценивает связанность, «степень скелетонизации» структуры материала.

,

где S_αα –площадь поверхности αα-границ, S_αl- площадь поверхности межфазных границ α- жидкая фаза. Обычно, C_α<1, однако в случае полного объединения твердой фазы принимает значение C_α=1. И, наоборот, при полной изоляции глобул α- фазы C_α равно 0. Однако сплавы, для структур которых C_α принимает значения 0 либо 1, не демонстрируют тиксотропных свойств.

Известно, что коэффициент смежности может быть определен с помощью метода случайных секущих:

где m_ββ- среднее число пересечений случайных секущих со следами граничных площадок (контактными отрезками между смежными зернами β- фазы на плоскости шлифа), m_βα- среднее число пересечений случайных секущих с межфазными α-β границами зерен.

Из анализа величин, входящих в выражение для определения С_k, следует, что данный параметр может быть корректно определен только в том случае, если структура сплава, подвергнутого повторному нагреву, будет правильно распознана. А именно, будет выполнена идентификация границ «слипшихся» глобул α- фазы.

Захлопнутая эвтектика

Данный параметр определяет количество эвтектики, исключенное из процесса обработки сплава.

Размер дендритной шейки позволяет определить только величину связей между глобулами.

Площадь поверхности зерна представляет собой периметр на плоскости шлифа. Измерение периметра вносит значительную ошибку в измерения, поэтому использование значения этой величины влечет к неточности оценки качества тиксотропной структуры.

Отношение обычного периметра конгломерата к выпуклому периметру. Обычный периметр оценивает всю протяженность границ конгломерата, тогда как выпуклый периметр оценивает только внешний размер конгломерата, поэтому их отношение является мерой разветвленности структуры материала. Это характеризует пространственное строение скелетона структуры тиксотропного материала. Ошибку, связанную с неточностью определения периметра удается избежать, используя отношение значений обычного и выпуклого периметров.

Вытянутость конгломерата определяется как отношение максимальных проекций конгломерата. Данный параметр чаще всего применяется для оценки структуры деформированного металла и не способен описать изменения в изотропной структуре.

Как было установлено, некоторые из применяемых параметров не отражают всех особенностей структуры тиксотропных материалов.

Все приведенные параметры используются исследователями как отдельные независимые величины, однако это некорректно, поскольку все они между собой взаимосвязаны. Значение каждого параметра оценивает объемную долю или морфологию первичной фазы. Но поскольку все процессы огрубления, приводящие к изменению морфологии α- фазы, протекают одновременно, то все морфологические параметры, описывающие определенные характеристики α- фазы, взаимосвязаны между собой.

Поэтому для корректной оценки качества структуры тиксотропного материала необходимо применять только комплексную оценку всех ключевых параметров микроструктуры сплава.