2800

Н.П. ЯРОСЛАВЦЕВ

Воронеж –2003

УДК 669.1:536.42

Ярославцев Н.П. Физические основы затвердевания: Учеб. пособие/ Воронеж, гос. техн. ун-т, 2003, 98с.

В учебном пособии изложены физические основы затвердевания с учетом тепловых и диффузионных процессов применительно к металлам и сплавам. Наряду с классическими представлениями о механизмах зарождения, кинетики роста кристаллов, закономерностях формообразования кристаллов из расплава, рассмотрены природа структурной наследственности в системе,"шихта-расплав-отливка" и некоторые способы управления процессами затвердевания в условиях литейной формы. Особое внимание уделено физическим принципам направленного затвердевания металлов и сплавов и способам их реализации в практике литейных процессов.

Пособие написано в соответствии с учебным планом подготовки инже- неров-литейщиков и рабочей программой курса "Физические основы затвердевания".

Предназначено для студентов старших курсов специальности "Литейное производство черных и цветных металлов и сплавов", но может быть полезно студентам других материаловедческих специальностей.

Табл. 4, Ил. 36. Библиогр.:21 назв.

Научный редактор д.-р физ.-мат. наук, проф. А.А. Щетинин. Рецензенты: кафедра физики Воронежской высшей школы МВД РФ;

Гл. металлург АО.«ТЯЖЭКС» им. Коминтерна В.Л. Скурщан-

ский.

©Ярославцев Н.П., 2003

©Оформление. Воронежский государственный технический университет.

2003

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.СТРУКТУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

1.1.Изменения свойств металлов при фазовых превращениях

1.2.Структура жидких металлов при слабом перегреве

1.3.Свойства и строение жидких металлов при высоких

температурах 2.ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ РАС- ПЛАВ-ФОРМА

2.1.Процессы затвердевания и кристаллизации

2.2.Температурное поле и его описание

2.3.Строение области затвердевания

2.4.Поверхность раздела между жидкой и твердой фаза-

ми

2.5.Равновесие между твердой и жидкой фазами в чистых металлах и сплавах

3.ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ИЗ РАСПЛАВА

3.1.Гомогенное зарождение

3.2.Гетерогенное зарождение

3.3.Механизмы и кинетика роста кристаллов

3.4.Формы и строение первичных кристаллов З.5. Дендритная кристаллизация

4.ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ В ПРОЦЕССЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

4.1.Коэффициент распределения

4.2.Конституционное переохлаждение

5.КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

5.1.Характеристика эвтектик

5.2.Факторы, влияющие на структуру эвтектик

6.СТРУКТУРНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ В СИСТЕМЕ «ШИХТА-РАСПЛАВ-ОТЛИВКА»

6.1.Природа наследственности

6.2.Управление процессами затвердевания в условиях литейной формы

7.НАПРАВЛЕННОЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

7.1.Принципы направленного затвердевания

7.2.Методы оценки направленности затвердевания СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3

Ко - равновесный коэффициент распределения; К эфф - эффективный коэффициент распределения; к = 1,38.10-23 - постоянная Больцмана;

= 5,67.10-8 Вт/(м2.К4)- постоянная Стефана-Больцмана; R = 8,31универсальная газовая постоянная

5

яснить и получить отливки с требуемым уровнем механических и эксплуатационных свойств.

Информацию о структуре расплавов удается получить из анализа экспериментальных данных, в ходе проведения высокоразрешающих дифракционных исследований, например, рентгенографических, электронографических и др. На рис. 1.1 приведены рентгенографические спектры одного и того же вещества, находящегося в газообразном и кристаллическом состояния ; по оси абсцисс отложен порядок отражения лучей n = sin θ / ( θ - угол отражения,- длина волны), по оси ординат - интенсивность дифрагированных лучей J .

На рентгенограммах обнаруживаются следующие закономерности. Твердые кристаллические вещества характеризуются при определенных углах отражения четкими максимумами интенсивности J; жидкие металлы (вблизи температуры плавления Tпл) - размытыми максимумами; металлы в состоянии газа (при температуре испарения) - отсутствием экстремумов интенсивности при всех θ. Определенное соответствие в спектрах жидкого и твердого состояний является свидетельством того, что в металлических расплавах при Tnл сохраняется признаки кристаллической фазы. Затухающий при изменении угла в характер интенсивности отражает тот факт, что в расплаве нарушается порядок, характерный для кристаллической структуры, т.е. (дальний порядок), но сохраняется упорядоченное расположение атомов в области нескольких межатомных расстояний (ближний порядок). В газообразном состоянии отсутствует как ближний, так и дальний порядок. Установлено, что для достижения этого требуется значительный перегрев, например для In до 1273 K /1,2/.

Нарушения атомного порядка в структуре металлов, происходящие при их плавлении, приводит к изменению физических и теплофизических свойств; свойства некоторых металлов приведены в табл. 1.1 и 1.2.

8