- •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.
39. Последовательная и объемная кристаллизация сплавов. Зависимость заполняемости форм от характера кристаллизации. Теоретические предпосылки и приемы регулирования структуры в литом изделии
Температура в центре небольших масс кристаллизующегося металла после снятия перегрева, при наличии переохлаждения, продолжает опускаться ниже точки равновесной кристаллизации (рис. 1), достигнув некоторого минимального значения, температура поднимается. Это соответствует началу кристаллизации. Теплота кристаллизации нагревает переохлажденный металл до равновесной температуры кристаллизации. После этого процесс приостанавливается, температура в течение некоторого времени сохраняется постоянной и соответствует точке кристаллизации (кривая 1). Если скорость охлаждения очень велика, то переохлаждение оказывается настолько значительным, что кристаллизация полностью подавляется (кривая 2). При этом получается твердое аморфное тело.
Измерения показали, что в реальных условиях при измерении температуры в центре таких масс переохлаждение на начальных участках температурных кривых не выявляется, а происходит в узкой области, перед фронтом кристаллизации (кривая 3). Переохлаждение жидкого металла перед фронтом кристаллизации в реальных условиях происходит на величину 0,1-0,01 °С. В этом случае может происходить только последовательная кристаллизация. Она начинается от поверхности отливки и постепенно распространяется до ее оси.
1 – кристаллизация с переохлажеднием; 2 – затвердевание аморфного тела; 3 – кристаллизация без переохлажедния
Рис.1. Схема переохлаждения в центре отливки
Единственным способом отведения теплоты кристаллизации от растущих кристаллов является ее перенос через ранее затвердевший слой к поверхности отливки, а от нее в форму и окружающую среду.
Ёсли кристалл внести в жидкий металл, находящийся в части отливки и имеющий температуру, равную точке кристаллизации, то он примет температуру окружающей среды, а дальне не будет ни расти, ни плавиться. Такой кристалл включится в твердую часть отливки тогда, когда его достигнет фронт кристаллизации, движущийся от поверхности.
Помимо природы сплава и скорости охлаждения на величину переохлаждения оказывает большое влияние степень чистоты металла. Переохлаждения оказываются наибольшими при проведении опытов с наиболее чистыми металлами в вакууме.
При не очень больших количествах металла, объемная кристаллизация из переохлажденного состояния и последовательная кристаллизация отливки представляют собой две фазы единого процесса (рис.3).
В момент 1 температура металла во всех точках лежит выше температуры кристаллизации – Т0, и твердая фаза в отливке отсутствует. В момент 2 металл переохлаждается и его температура во всех точках лежит ниже Т0 твердая фаза отсутствует. В момент 3 температура, перейдя через минимум, повышается, и начинается объемная кристаллизация, болеё или менее равномерно заполняющая весь объем металла. В момент 4 температура в средней части отливки достигала температуры кристаллизации, а в поверхностном твердом слое опускалась ниже ее, образован определенный перепад. Во внутренней части сосуществуют жидкая фаза и кристаллы, образовавшиеся за счет объемной кристаллизации переохлажденного металла. В момент 5 последовательна кристаллизация продолжается при понижении температуры в наружной корочке.
а – температурное поле; б – схема кристаллизации
Рис.3. - Объемная и последовательная стадии кристаллизации отливки
Наконец, в момент 6 вся отливка затвердевает, и температура во всех ее точках опускается ниже температуры кристаллизации.
Характер кристаллизации можно оценить по безразмерному критерию: Кр = Tc/L, где Tc – переохлаждение металла в центре отливки; с – теплоемкость; L – теплота кристаллизации металла.
Возможны следующие случаи:
- Кр = 0 – переохлаждение в центре не происходит; кристаллизация имеет последовательный характер; случай соответствует реальным условиям кристаллизации отливок;
- 1 > Кр > 0 – переохлаждение в центре происходит, и объемная кристаллизация имеет место в начальной стадии; после снятия переохлаждения оставшийся жидкий металл кристаллизуется последовательно; случай может иметь место в малых объемах металла;
- Кр = 1 – переохлаждение насколько велико, что теплота кристаллизации при росте кристаллов полно при росте кристаллов полностью его компенсирует. Кристаллизация происходит объемно;
- Кр >> 1 – переохлаждение чрезвычайно велико и кристаллизация полностью подавляется; образуется аморфное тело.
Заполняемость формы напрямую зависит от жидкотекучести формы. Чем выше жидкотекучесть сплава, тем лучше его заполянемость, которая возрастает параллельно увеличению теплоты кристаллизации металла и резко снижается при окислении сплавов.
Возможны три механизма остановки расплава (рис.4). Во-первых, это может произойти за счет резкого снижения вязкости расплава, связанной с общим понижением температуры и выпадением взвешенных кристаллов (рис.4,а). Для металлических систем этот механизм мало вероятен. Прямые опыты на различных сплавах показывают, что остановка конца металлического потока происходит внезапно, а не постепенно, как этого можно было бы ожидать при увеличении вязкости.
а – остановка в результате объемной кристаллизации и повышения вязкости металла; б – остановка в результате затвердевания потока в начальном сечении канала; в – остановка в результате образования пробки на конце потока
Рис.4. Схема остановки потока при исчерпывании жидкотекучести
Во-вторых, остановка может произойти в результате полного знтвердевания потока в начальном сечении, где охлаждение начинается раньше всего (рис.4,б). Твердая корка, образующаяся на стенках формы, может влиять на жидкотекучесть, но остановку потока определяет не ее образование. Кроме того, расчеты при помощи закона квадратного корня ( , где К – коэффициент затвердевнаия, см/см1/2; время) для обычных условий показывают, что за время полного затвердевания начального сечения канала количество протекающего через него металла должно быть существенно больше, чем наблюдается в действительности. Остановка движения за счет промерзания начального сечения возможна только при очень малых сечениях канала или низких скоростях движения.
В-третьих, остановка может произойти из-за образования на конце потока достаточно прочной «пробки» (рис.4,в). Пробка образуется за счет накопления кристаллов твердого металла и пленки окислов. В обычных условиях литья из металлических сплавов реализуется именно этот механизм остановки.
Технологические приемы регулирования структуры в литом изделии: направленная кристаллизация, модифицирование (3 типа модификатора: 1 рода – централи, 2 рода – добавки, которые химически взаимодействуют с основным металлом и выделяются по границам зерен, 3 рода – работают комплексно), вибрация расплавов, перемешивание (вызываемые колебания на поверхности способствуют измельчению зерна), способ заливки (снизу, сверху и т.д.), ультразвуковая обработка (перемешивание слоев металла, результат – измельчается зерно), обработка электрическими и магнитными полями (также, как и у ультразвуковой обработки), термовременная обработка (при перегреве кластеры исчезают, расплавляются, примеси дезактивируются)