Литейные процессы и особенности перехода метала из жидкого состояния в твердое.
Основы теории формирования макроскопического строения тела отливки.
Зная тепловую теорию формирования и методы исследования и расчета затвердевания отливки, подчеркнем следующее:
Во-первых, тепловая теория исходит из самого общего принципа физики — закона сохранения энергии. Для анализа процессов теплопереноса в затвердевающей отливке и в нагревающейся форме он конкретизирован с помощью законов теплопроводности Фурье, теплоотдачи Ньютона, теплового измерения Стефана Больцмана.
Во-вторых, тепловая теория получила непосредственное экспериментальное подтверждение для двух остальных видов литья: в песчаные формы и кокиль.
Различие между агрегатными состояниями металлов определяется характером связи между их атомами.
В газе расположение атомов хаотично и они непрерывно изменяют свои положения. В твердых аморфных телах и большинстве жидкостей существует только ближний порядок, т.е. определенная система расположения атомов, распространяющаяся на несколько межатомных расстояний. В кристаллических телах наряду с ближним существует и дальний порядок, т.е. система расположения атомов в пределах данного кристалла, распространяется до микроскопического и даже макроскопического уровня. Твердые металлы практически всегда являются кристаллическими телами. Некоторые органические жидкости с длинными нитеобразными молекулами образуют жидкие кристаллы.
При охлаждении жидкого металла ниже определенной температуры в его отдельных микроскопических объемах начинается возникновение и рост кристаллов. Соединяясь между собой после исчезновения жидкости, они образуют микроструктуру. Процесс образования структуры при переходе из жидкого состояния в твердое называется кристализацией.
Кристаллизацию можно предоставить в виде следующей модели. Пусть железные кубики при температуре выше точки Кюри, когда железо не магнитно, беспорядочно насыпаны в сосуд. Они имитируют жидкость. При охлаждении кубики намагничиваются, между ними возникают силы притяжения. Однако трение не позволяет им образовать структуру и в таком виде они имитируют аморфное твердое тело. Если при охлаждении сосуд встряхивается, то кубики изменяют своё положение и образуют некоторую структуру. В таком виде они имитируют твердое кристаллическое тело. Энергия, затраченная на встряхивание, соответствует скрытой теплоте кристаллизацию
Переход макроскопического объема металла из жидкого состояния в твердое в ряде случаев, игнорируя формирование микроструктуры, можно рассматривать как чисто тепловой процесс. Такой процесс условно принято называть затвердеванием.
Рассмотрим решение задачи о затвердевании отливки, но при этом принимаем следующие положения:
1) затвердевающее тело (отливка) ограничено одной плоской поверхностью, т.е. оно представляет собой полупространств, где текущая координата Y направлена перпендикулярно к поверхности;
2) температура тела первоначально во всех точках равна То, а в момент времени равный нулю, на поверхности тела она понижается на величину т.к. дальше остается постоянной - равно Тк;
к расчету затвердевания отливки в простейшем случае.
3) температура То представляет собой температуру кристаллизации вещества, являющего чистым металлом, при кристализации единицы массы тела выделяется теплота кристаллизации процессов, которые обуславливают формирования макростроения тела отливки и его макронеоднородности, связь характеристик которых со скоростью затвердевания удается установить экспериментально. Следовательно, дальнейшее развитие теории формирования, мея в виду решение ее центральной проблемы, целесообразно направить по пути макроскопического описания строения тела отливки.
4) тепловые характеристики вещества тела – теплопроводность λ, теплоемкость с и плотность ρ - постоянные и не зависят от температуры;
5) теплопередача в твердой части тела подчиняется уравнению Фурье. Теплопередачи в жидкой части тела не проходит, так как в ней отсутствует температурный градиент;
6) для упрощения решения принимаем допущение, что температура в твердой части тела распределения по линейному закону.
Требуется найти зависимость толщины твердого слоя х от времени τ.
Математическая формулировка задачи:
теплопередача в теле происходит в соответствии с управление Фурье
dQ=λ(T/x)dτ
где Q- количество теплоты;
температура на поверхности тела
при τ>0 и х>0 Т = const
температура в жидкой части
при τ ≥ 0 и y ≥ x T = const
Выделим в теле призму, перпендикулярную к его поверхности и вырезающую на ней площадь, равную единице.
Составим дл яэтой призмы уравнение теплового баланса.
За время τ граница затвердевания продвигается на расстояние х от поверхности за
последующий промежуток времени dT граница затвердевания получается еще на dx. При этом «освобождается» теплота кристаллизации
dqkp=ρLdx
Поскольку площадь сечения призмы равна единице, dx — соответствует элементарному объему. Общее теплосодержание твердого слоя толщиной Х при температуре То равно сρТоХ. Благодаря прямолинейному распределению температур в любой момент времени от этого слоя должна отводиться ровно половина начального тепло-содержания, т.е. 1/2 сρТх. При температуре границы затвердевания на dx отводимая от твердого слоя теплота будет
dqтв = ½ сρTdx
За время dτ с поверхности тела должно быть отведено и поглощено окружающей средой (формой) количество теплоты
dqф= λ(T/x)dτ
Управление теплового баланса призмы за время dT выразиться
отсюда следует, что при Х = 0 скорость затвердевания бесконечна. Это получается потому, что было принято положение о мгновенном понижении температуры поверхности тела от То до Тк.
Примем допущение, что температура поверхности падает не мгновенно, а линейно с временем и будем рассматривать начальную стадию затвердевания. Это положение выражается равенством
Т=Аτ, где
А — некоторая постоянная величина
Решая это выражение, в итоге получаем
Х=Кнτ , где
Кн — коэффицент затвердевания для начальной стадии затвердевания.
В этом случае скорость затвердевания равна постоянной величине
dx/dτ = Kн
Итак, основными особенностями перехода металла из жидкого состояния в твердое при изготовлении из него отливки является:
- На атомарном уровне — скачкообраное увеличение сил притяжения между атомами и построение ими при определенной температуре кристаллизации атомно-кристаллической решетки с дальним порядком;
- на микроскопическом уровне - одновременное взаимодействие во многих микрообъемах метала центров кристаллизации, из которых вырастают кристаллы, образующие микроструктуру;
- на макроскопическом уровне последовательное затвердевание отливки, определяемое условиями ее охлаждения, граница между твёрдой и жидкой частью отливки перемещается во времени в соответствии с линейным законом или законом квадрадного корня.