3. Обработка результатов эксперимента и их обсуждение

3.1. Расчет скорости течения в рабочем канале.

Расчет гидродинамического сопротивления системы может быть применительно к спиральной пробе, сделан по формуле:

,

где и – коэффициенты сопротивления на входе в стояк и повороте в спиральный канал;

и – площади поперечного сечения стояка и спирального канала, м²;

– длина стояка, м;

– средняя длина потока в спиральном канале в процессе его заполнения, м;

– эквивалентный гидравлический диаметр спирального канала, м;

– диаметр стояка, м;

- коэффициент гидравлического трения для стенок песчаной формы.

Принимаем по справочным данным [3]: ; ; . Площади и рассчитывают по размерам сечения соответствующих каналов. Величина ( -периметр сечения канала); _.

Скорость потока в спиральном канале рассчитывается по формуле:

.

По справочным данным задается коэффициент кинематической вязкости сплава (м²/с) и находится величина числа Рейнольдса , характеризующего режим течения, делается заключение о степени турбулентности потока. Полученные данные заносятся в табл. 2. В случае чистых металлов, эвтектических или узкоинтервальных сплавов рассчитанные величины и Re относятся только к первым двум периодам течения.

Таблица 2 – Гидравлические и теплофизические характеристики течения металла в пробе

Характеристика	Единица измерения	№ проб			Среднее значение
		1	2	3
Коэффициент гидродинамического сопротивления	–
Скорость потока металла в рабочем канале	см/с
Число Рейнольдса Re	-
Коэффициент теплотдачи	-
Коэффициент m	см/с2

3.2. Зависимость жидкотекучести от температуры заливки

Расчет величины α.

На основании данных табл. 1 по методу наименьших квадратов строится линейный график зависимости Y от

.

Данные по задаются преподавателем

Рисунок 3 – Зависимость жидкотекучести от температуры заливки

Для расчета коэффициента теплоотдачи на прямой выбираются 2 произвольные точки, и определяются соответствующие им и .

С учетом (1) легко найти, что

.

Отсюда находим

.

Вычисленные значения α заносятся в табл.2.

3.3. Определение коэффициента m

Если аппроксимировать график на рисунке 3 в область нулевого перегрева, то

.

Отсюда находим

.

Вычисленные значения m заносят в табл.2.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Перечень всех принятых обозначений с указанием размерностей параметров в СИ. Для величин, принимаемых по справочным данным, указываются их численные значения.

3. Характеристика изучаемого сплава и его положение на диаграмме состояния.

4. Описание методики эксперимента и схема формы для технологической пробы.

5. Эскизы различных проб на жидкотекучесть.

6. Таблицы опытов (см. таблицы).

7. Результаты замеров жидкотекучести.

8. Расчет скорости течения в рабочем канале.

9. Расчет коэффициента теплоотдачи.

10. Зависимость жидкотекучести от температуры заливки. Расчет коэффициента m.

11. Графики «температура заливки – жидкотекучесть», «температура заливки – формозаполняемость», «содержание элемента – жидкотекучесть», «содержание элемента – формозаполняемость, «температура металла – время».

12. Использованная литература.

13. Заключение и общие выводы.

В отчете должны быть приведены все расчетные формулы.

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОЛЛОКВИУМА

1. Понятия о жидкотекучести как технологическом свойстве литейных сплавов.

2. Практическая и истинная жидкотекучесть.

3. Основные факторы, влияющие на величину жидкотекучести.

4. Связь величины жидкотекучести с положением сплава на диаграмме состояния.

5. Причина остановки потока металла в каналах формы и их связь с характером затвердевания сплава.

6. Основные разновидности проб на жидкотекучесть.

7. Математические модели заполнения канала пробы для сплавов, кристаллизующихся при постоянной температуре и в интервале температур.

8. Что такое формозаполняемость?

9. Расскажите методику определения жидкотекучести.

Лабораторная работа №8

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ ОТЛИВОК

Цель работы: изучение на практике влияния скорости затвердевания на параметры структурных зон отливок, затвердевающих с различной скоростью.

Общие положения: Качество литого изделия, его механические и служебные свойства во многом определяются условиями затвердевания. При этом скорость охлаждения затвердевающей отливки является одним из основных факторов, определяющих процесс формирования макроструктуры, величину и расположение усадочных дефектов, характер распределения и величину неметаллических включений, развитие ликвации и т.д. Обычно чем выше температура заливки и меньше скорость охлаждения в период затвердевания, тем более крупнозернистая структура у отливок.

Важной характеристикой сплавов является их чувствительность к скорости охлаждения. В одной и той же отливке механические свойства и структура могут значительно отличаться. В толстых частях отливки получается крупнозернистая структура, а в тонких – мелкозернистое глобулярное строение или столбчатая структура. В чугунной отливке в тонкой ее части может появиться отбел (из-за большой скорости охлаждения), а в толстой части – крупный пластинчатый графит. В результате этого конструктивная прочность и надежность отливки могут оказаться недостаточными.

Для получения однородного строения и свойств применяют различные способы регулирования скорости затвердевания отливки в целом или отдельных ее частей. На практике это осуществляется применением внешних холодильников и теплоизоляции, подводом металла в тонкие части отливки, модифицированием и др. В последнее время для повышения однородности литых изделий все более широкое применение находят суспензионная заливка и использование металлооболочковых форм.

Для определения влияния скорости затвердевания на строение отливки применяют технологические пробы – отливки с переменной толщиной сечений (клиновидные, ступенчатые, цилиндрические). Различная скорость охлаждения может обеспечиваться разной приведенной толщиной образцов или применением формовочных смесей с различной величиной коэффициента аккумуляции тепла. Для того чтобы определить среднюю скорость затвердевания отливки υ_{ср.затв.}, необходимо знать продолжительность ее затвердевания. Продолжительность затвердевания τ определяют термометрированием или по формул:

, (1)

где τ– продолжительность затвердевания, с;

М – масса отливки, кг;

L – удельная теплота кристаллизации металла, Дж/кг;

С– удельная теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг·К);

Т_ж– температура металла в момент заливки. К;

b_ф– коэффициент аккумуляции тепла формой, Вт·c^1/2 /(м²·ºС);

F– площадь охлаждения отливки, м²;

Т_п– температура поверхности контакта металла с формой, К.

, (2)

где b_м – коэффициент аккумуляции тепла металлом.

Скорость затвердевания υ_{ср.затв.} (мм/с) в данном случае определяют посредством деления диаметра образцов d_i (мм) на продолжительность их затвердевания τ_i (с).

Структуру в изломе образцов определяют путем измерения средней величины зерна d равноосных кристаллов в центральной зоне и относительной ширины столбчатой зоны Х_ст/d_cт,

где Х_ст – протяженность зоны столбчатых кристаллов;

d_cт – средний поперечный размер столбчатых кристаллов.

Для исследования макроструктуры из отливок вырезают поперечные образцы и готовят макрошлифы.

Оборудование, приборы и материалы

Плавильная печь, металлографический микроскоп, установка для полирования шлифов, механическая ножовка, потенциометр с хромель-алюмелевой термопарой погружения, опоки, модельный комплект для изготовления образцов диаметром 10, 20, 30, 40 и 50 мм, длиной 150 – 200 мм, формовочный и измерительный инструмент, технические весы, формовочная смесь, набор напильников и шлифовальной бумаги для приготовления шлифов, реактивы для травления, спецодежда.

Порядок проведения работы

1. Приготовить алюминиевый сплав заданного состава.

2. Изготовить форму для одновремнной заливки образцов диаметром 10, 20, 30, 40 и50 мм, длиной 150 – 200 мм.

3. Залить форму при температуре, заданной преподавателем.

4. Рассчитать продолжительность и среднюю скорость затвердевания отливок.

5. После охлаждения отрезать от отливок заготовки и изготовить поперечные макрошлифы. Травление шлифов рекомендуется проводить в смеси азотной и соляной кислот (3:1) с добавлением 10 %-го раствора хлорной меди.

6. Измерить параметры структурных зон. Каждый участник заполняет таблицу, в которую заносит свои индивидуальные измерения d′, X′_ст, d′_ст и общие результаты d, X_ст, d_ст (усредненные по данным всей группы).

7. По усредненным результатам построить графики для выявления зависимости d и X_ст/d_ст от скорости затвердевания.

9. Оценить влияние скорости охлаждения на микроструктуру отливок (протяженность структурных зон, размеры и форму отдельных кристаллов).

Таблица 1

Диаметр образца, мм	Продолжительность затвердевания, с	Средняя скорость затвердевания υср.затв., мм/с	Размер зерна, мм		Ширина столбчатой зоны, мм
			d′	d′ст	X′ст
10
20
30
40
50