- •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.
8. Термодинамические основы плавильного процесса. Основные законы термодинамики
Термодинамика изучает взаимосвязь между тепловой, механической и химической энергией и законы, управляющие взаимными превращениями этих видов энергии в процессах, протекающих в природе.
С помощью термодинамического анализа определяют, осуществим ли изучаемый процесс, не возникают ли противодействия его протеканию и до какой степени он может пройти. Однако термодинамика не рассматривает ни механизма, ни скорости изучаемого процесса. Под термодинамической системой понимают совокупность веществ (твердых, жидких, газообразных), выбранных для изучения и физически или мысленно обособлены от окружающей среды, между которыми происходит либо обмен энергией, либо массой, либо и то, и другое вместе.
Если в термодинамической системе не происходит никаких процессов и если действие термодинамической системы на окружающую среду равно действию окружающей среды на систему, то данная система находится в термодинамическом равновесии - ее состояние во времени не изменяется. Равновесие, однако, может относиться лишь к некоторым свойствам термодинамической системы. В таком случае говорят не о термодинамическом равновесий, а, например, о механическом равновесии - в системе не происходит перемещения вещества (диффузия, растворение и т.п.), о химическом равновесии - в системе не протекают химические реакции, о тепловом равновесии - в системе не происходит теплообмен и т.д. Термодинамическое равновесие, таким образом, объединяет все виды равновесия .(механическое, тепловое, химическое, электрическое и т.д.).
Термодинамическим процессом называют любое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одной термодинамической величины. Термодинамический процесс может быть обратимым или необратимым.
Обратимые и необратимые процессы, протекающие при постоянной температуре, называются изотермическими; при постоянном давлении - изобарическими; при постоянном объеме - изохорическими и при постоянном теплосодержании - адиабатическими. Первый, закон термодинамики. Все вещества обладают определенным запасом внутренней энергии II, под которой подразумевается общий ее запас, включая энергию поступательного и вращательного движений, энергию внутримолекулярных колебаний атомов и атомных групп, энергию движения электронов в атомах, внутриядерную энергию, т.е. все виды энергии, кроме кинетической и потенциальной энергии системы.
Внутренняя энергия определяется начальным и конечным состоянием системы и не зависит от пути перехода, измеряется в джоулях (калориях) и обычно относится к одному молю вещества.
Если в первоначальном состоянии внутренняя энергия вещества (или система) была U1, а в конечном U2, то величина характеризует изменение внутренней энергии.
Первый закон термодинамики представляет частный случай выражения универсального закона сохранения энергии применительно к процессам, происходящим с выделением или поглощением тепла. Его формулировка: количество теплоты (q), полученное системой, равно увеличению ее внутренней энергии (U) и произведенной ею работы (А):
Внутренняя энергия является функцией состояния и однозначно определяется параметрами состояния системы:
где р - давление; V - объем; Т -температура,
Выражение упрощается для процессов, в ходе которых остается неизменным один из параметров состояния системы:
в изотермическом процессе, где =0 (для идеального газа) =А и, следовательно, вся работа выполняется за счет подведенной теплоты;
в изохорическом процессе, где работа не выполняется из-за неизменного объема системы, т.е. теплота расходуется только на приращение внутренней энергии системы;
в изобарическом процессе, где А = :
Энтальпия является термодинамической функцией состояния системы. Обозначается буквой Н и имеет смысл, аналогичный внутренней энергии U. Понятие энтальпии было введено для упрощения изучения изобарических процессов. Ее определяют из выражения
Н = U + рV.
Второй закон термодинамики. Теплота не может самопроизвольно переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой:
Это уравнение справедливо для любого замкнутого процесса.
Энтропия. Для характеристики степени, необратимости энергетических переходов при различных физических и химических процессах применяется величина, называемая энтропией, которая и является мерой обесцененной энергии:
где - элементарное количество теплоты, поглощенное или выделенное в ходе процесса. Знак > отвечает необратимым процессам, знак = соответствует обратимым процессам.
Энтропия имеет ту же единицу измерения, что и теплоемкость (Дж/моль • К). Это не говорит об аналогии их физического значения. Теплоемкость характеризует количество теплоты, необходимое для нагревания массы вещества На 1 К. Энтропия характеризует количество рассеянной энергии, отнесенное к 1 К данной температуры.
Свободная энергия. Свободная энтальпия. Энтропия служит критерием для оценки равновесного состояния только таких термодинамических систем, которые изолированы от окружающей среды. Однако обеспечить полное отсутствие теплового контакта между системой и окружающей средой очень трудно и в практике это встречается редко. Поэтому для определения вероятности и условий равновесия физико-химических реакций введены другие термодинамические функции, а именно: свободная энергия F (функция Гельм-гольца) и свободная энтальпия G (функция Гиббса).
Свободную энергию системы определяют по уравнению
F=U-TS
где F - внутренняя энергия системы; S - энтропия системы; Т - температура системы.
Свободная энергия применяется для определения равновесия термодинамической системы в процессах, протекающих при постоянных температуре и объеме, поэтому иногда ее называют изохорно-изотермическим потенциалом системы.
Однако для большинства металлургических реакций свободная энергия не является наиболее удобной термодинамической функцией состояния, с помощью которой можно определить возможность самопроизвольного развития процесса, так как эти реакции в большинстве случаев протекают при условиях, характеризующихся постоянными температурой и давлением. Поэтому равновесие металлургических реакций наилучшим образом характеризует иная термодинамическая функция - свободная энтальпия G (или изобарно-изотермический потенциал), значение которой соответствует энтальпии (общей энергии) термодинамической системы, уменьшенной на-связанную энергию:
G = Н-ТS
Изменение свободной энтальпии химической реакции при произвольной температуре Т рассчитывают по уравнению
Для расчета изменения свободной энтальпии металлургических реакций, которые всегда протекают при высоких температурах, используют приближенные методы.
Химическое сродство. Химическое сродство элементов является причиной образования из них соединений. В изобарио-изохорических процессах сродство определяется по величине изменения свободной энергии, в избарино-изотермических - по изменению свободной энтальпии, при наличии химическою сродства соответственно:
и
Очевидно, что чем больше сродство веществ реакции, тем большей убылью свободной, энергии или свободной энтальпий она сопровождается. Чтобы можно было сравнивать сродство различных веществ, участвующих в однотипных реакциях (например, окисления, образования нитридов и т.д.), значения или рассчитывают на одинаковое количество одного вещества реакции.
Третий закон термодинамики. Третий закон термодинамики, в отличие от обоих предыдущих, менее общий и касается, прежде всего, поведения веществ, при температурах, близких к абсолютному нулю. Он позволяет установить абсолютное значение энтропии, чего не позволяет ни первый, пи второй законы. Третий закон термодинамики иногда формулируют следующим образом: температура абсолютного нуля не может быть достигнута при конечном числе циклов. Отсюда третье начало трактуется как принцип недостижимости абсолютного нуля.Другая формулировка третьего начала - энтропия чистых веществ, существующих в виде идеальных кристаллов, при температуре абсолютного нуля равна нулю, положена в основу расчетов абсолютных значений энтропии различных; веществ.