Работа 1. Изучение процесса кристаллизации расплава на прозрачной модели

Задание

1. Произвести нагрев и заливку модельного расплава в изложницу.

2. Осуществлять замер образовавшейся корки кристаллов каждые 3 минуты.

3. Результаты работы оформить в виде протокола.

4. Рассчитать коэффициент затвердевания для различных моментов времени.

5.Построить графические зависимости толщины корки кристаллов от времени, для различных температур заливки.

6. Написать отчет по работе в соответствии с пунктами задания и сделать необходимые выводы.

 

Цель работы

Осуществить наблюдение за процессом кристаллизации прозрачной жидкости в прозрачном сосуде. Исследовать особенности кристаллизации слитка при различных температурах заливаемого расплава.

 

Приборы, материалы и инструмент

Прозрачная водоохлаждаемая изложница, весы, электроплитка, стакан, ртутно-стеклянный термометр, гипосульфит, линейка.

 

Основные теоретические положения

Кристаллизация металлов и сплавов – это процесс, который во многом определяет строение и свойства готовой металлопродукции, поскольку от условия получения литой структуры слитка или отливки зависит содержание в них легирующих компонентов и примесей, наличие в них пор и раковин, степень завершенности структурных и фазовых превращений после затвердевания.

На формирование литой структуры влияет строение и свойства металлической жидкости, температура ее перегрева перед кристаллизацией, степень ее загрязненности примесями и другие ее характеристики.

Кристаллизация может происходить как при переходе из жидкого состояния в твердое, так и в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую. Во втором случае такое превращение носит название фазовая перекристаллизация.

Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамическом отношении, состоянию, т.е. к наименьшему запасу свободной энергии.

Различают теоретическую и фактическую температуру кри­сталлизации. Теоретическая (равновесная) температура кристаллизации (T_S) ¾это такая температура, при которой свободные энергии металла в твердом и жидком состоянии равны. При этой температуре равновероятно существование металла как в жидком, так и в твер­дом состояниях. Реально кристаллизация начинается только при некотором переохлаждении. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактической температурой кристал­лизации T_КР. Разность между теоретической и фактической тем­пературой кристаллизации называется степенью переохлаждения DT=Т_S-Т_КР. Чем больше степень переохлаждения, тем больше движущая сила кристаллизации.

Кривые кристаллизации при различных скоростях охлаждения показаны на рис. 1. При медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и кристаллизация протекает при температуре, близкой к равновесной. Горизонтальная площадка на термической кривой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, кото­рая компенсирует отвод тепла. С ростом скорости охлаждения степень переохлаждения растет. Помимо скорости охлаждения, степень переохлаждения зависит от чистоты металла: чем чище металл, тем выше степень переохла­ждения.

Рис. 1. Температурные кривые процесса кристаллизации металла с различными скоростями охлаждения.

 

Процесс кристаллизации состоит из следующих двух стадий:

1) образование центров кристаллизации (зародышей);

2) рост кристаллов вокруг этих центров.

Суммарная скорость кристаллизации зависит от хода обоих элементарных процессов. Она определяется скоростью зарождения центров кристаллизации (СЗ) и скоростью роста кристаллов из этих центров (СР) (рис. 2). Величины СЗ и СР зависят от степени переохлаждения. При равновесной температуре DT = 0 и СЗ = О, СР = 0. С увеличением DT растет разность свободных энергий металла в жидком и твердом состояниях (движущая сила процесса) и при достаточно большой подвижности атомов СЗ и СР растут и достигают максимума. Последующее уменьшение СЗ и СР объясняется снижением подвижности атомов при падении температуры. При малых значениях коэффициента диффузии затруднена перестройка атомов жидкости в кристаллическую решетку твердого тела. При очень сильном переохлаждении СЗ и СР равны нулю и жидкость не кристаллизуется, а превращается в аморфное тело.

Для реальных металлов, как правило, реализуются лишь восходящие ветви кривых СЗ и СР и с ростом DТ увеличиваются скорости обоих процессов.

Рис. 2. Влияние степени переохлаждения

на скорость зарождения и роста кристаллов.

 

От соотношения СЗ и СР зависит раз­мер зерен. При малом переохлаждении, например, при заливке металла в земляную форму с малой теплопроводностью или подо­гретую металлическую форму, скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В этом случае в объеме обра­зуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов.

При увеличении DT, в случае заливки жидкого металла в хо­лодные металлические формы, скорость зарождения возрастает, что приводит к образованию большого количества мелких кри­сталлов.

Размер зерна определяется не только степенью переохлажде­ния, но также температурой нагрева и разливки метал­ла, его химическим составом и особенно присутствием посторонних примесей.

В реальных условиях самопроизвольное зарождение кристаллов в жидком металле затруднено. Источником образова­ния зародышей служат различные твердые частицы: неметалличе­ские включения, оксиды, продукты раскисления. Чем больше примесей, тем больше центров, тем мельче зерна. Иногда в металл специально вводят вещества (модификаторы), которые при кри­сталлизации способствуют измельчению зерна. Модификаторами для стали являются алюминий, ванадий, титан; для чугуна – магний.

При кристаллизации реальных слитков и отливок важную роль играет направление отвода тепла. Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.

 

 

Рис. 3. Схема стального слитка.

 

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;

2. зона столбчатых кристаллов;

3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено, и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 4). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Рис.4 Схема дендрита по Чернову Д.К.

 

Толщина зоны столбчатых кристаллов в значительной степени зави­сит от перегрева металла, так как для его затвердевания требуется от­вести не только скрытую теплоту кристаллизации, но и, в первую оче­редь, теплоту перегрева металла над точкой ликвидуса. Вследствие та­кого двухстадийного отвода тепла в жидкой сердцевине всегда имеется градиент температур. У фронта кристаллизации температура жидкости близка к температуре ее кристаллизации. По оси слитка температура жидкости вскоре после заливки изложницы близка к температуре залив­ки. В дальнейшем температура жидкости у оси постепенно снижается, так как происходит постоянный отвод теплоты перегрева жидкости. В момент, когда температура жидкости у оси становится близкой к темпе­ратуре ее кристаллизации, градиент температур в жидкой сердцевине слитка становится близким нулю, а рост столбчатых кристаллов пре­кращается. Начинается кристаллизация третьей зоны слитка - зоны крупных равноосных, неориентированных кристаллов. Незначительное переохлаждение жидкости вблизи фронта кристаллизации приводит к тому, что в этом слое может возникать небольшое количество зароды­шей кристаллизации, способных к росту. Эти кристаллы растут равно­мерно во всех направлениях и достигают большой величины, поскольку в своем росте они не мешают друг другу. Чем выше перегрев жидкости над точкой ликвидуса, тем большее ко­личество теплоты перегрева жидкости необходимо отвести. Если темпе­ратура заливки металла окажется настолько высокой, что теплота пере­грева жидкости сохраняется практически до конца кристаллизации, то столбчатые кристаллы прорастают до самой оси слитка, а третья зона кристаллизации не возникает.

Если температура заливки близка к температуре кристаллизации ме­талла, то возникают условия для раннего начала формирования третьей зоны слитка.

В процессе кристаллизации в первую оче­редь затвердевает более чистый ме­талл, поэтому границы зерен более обога­щены примесями. Неоднородность хи­мического состава в пределах дендри­та называется дендритной ликвацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

Основными дефектами слитка являются усадочная раковина, пористость и ликвация. Усадочная пористость обычно образуется вблизи усадочной раковины и по оси слитка. Образование усадоч­ной раковины и пористости обусловлено тем, что все металлы, кроме висмута, имеют в твердом состоянии меньший удельный объем, чем в жидком.

Методика выполнения работы

Для моделирования процесса кристаллизации металла в изложнице применяется гипосульфит. Он имеет невысокую температуру плавления 48... 52 °С и в жидком состоянии прозрачен. Поэтому ход кристаллиза­ции гипосульфита доступен для наблюдения. Однако в твердом состоя­нии гипосульфит образует малопрозрачные белые кристаллы. Возник­новение даже тонкой корочки из таких кристаллов препятствовало бы наблюдению за дальнейшим ходом кристаллизации жидкости.

Чтобы избежать этих осложнений, модель изложницы (рис.5) изготовляют комбинированной. Две ее стенки представляют плексигла­совые пластинки с низкой теплопроводностью.

В процессе выполнения работы необходимо взвесить 150 г гипосульфита и нагреть его в стакане на электроплитке до заданной температуры, ко­торая измеряется с помощью ртутно-стеклянного термометра. После этого гипосульфит заливаем в предварительно собранную и охлаждаемую проточной водой модель изложницы. Вначале заливаем небольшое ко­личество гипосульфита, покрывающее лишь дно сосуда. После затвер­девания этой порции заливаем весь оставшийся гипосульфит.

 

Рис. 5. Модель изложницы.

 

Сразу после заливки следим за нарастанием затвердевшего слоя и через равные интервалы времени 2 … 5 мин измеряем и записываем его толщину. Измерения производятся на середине высоты слитка с по­мощью линейки отдельно для каждой стороны кристаллизующегося слитка. При этом необходимо особо отметить время, истекшее от мо­мента заливки до начала кристаллизации слитка на половине его высо­ты, толщину корковой зоны, моменты начала образования столбчатых кристаллов и зон крупных равноосных кристаллов, протяженность этих зон. Следует отметить также наличие восходящих и нисходящих потоков жидкости, с какого момента они стали заметными, наблюдалось ли об­ламывание и передвижение кристаллов.

После окончания процесса кристаллизации модель изложницы раз­бираем и извлекаем из нее слиток. Поверхность слитка протравливаем дистиллированной водой и зарисовываем его структуру, указывая про­тяженность соответствующих зон для половины высоты слитка. На схе­ме должно быть показано также расположение усадочной раковины и ее размеры. Затем модель собираем и всю последовательность операций производим для следующей, указанной руководителем температуры.

 

Содержание отчета

1. Кратко изложить причины образования различных кристаллических зон слитка, привести схему модели изложницы, описать последователь­ность проведения опыта.

2. Представить таблицу нарастания толщины затвердевшего слоя для опытов, проведенных при разных температурах.

 

Таблица 1

 

Температура заливки, °С	Толщина δ (см) корочки через время τ, мин	Примечания
				…
К, см/мин^1/2

 

В таблице указать среднюю арифметическую толщину корочки для двух сторон. В примечании отметить время, истекшее от момента залив­ки до начала кристаллизации на половине высоты слитка, момент нача­ла образования столбчатых кристаллов и толщину затвердевшей короч­ки из мелких равноосных кристаллов, момент начала образования зоны крупных равноосных кристаллов и протяженность зоны столбчатых кри­сталлов. Необходимо отметить также, были ли заметны нисходящие и восходящие потоки жидкости, в какой части слитка и с какого момента, наблюдалось ли обламывание кристаллов. По данным таблицы строят график, на котором на оси абсцисс откладывается время от начала за­ливки, а на оси ординат – толщина затвердевшего слоя для разных температур заливки. На графике отмечают моменты образования раз­личных зон слитка и указывают их толщину.

3. Привести схемы структур протравленной поверхности слитка. Со­поставить протяженность различных зон по результатам визуального наблюдения за ходом кристаллизации и по результатам их измерения на протравленной поверхности слитка.

4. Сформулировать выводы о влиянии температуры заливки на строение слитка, протяженность различных зон, скорость и продолжи­тельность затвердевания, расположение и размеры усадочной рако­вины, наличие и расположение нисходящих потоков жидкости и обла­мывание столбчатых кристаллов.

5. Рассчитать значение коэффициента затвердевания для указанных выше моментов времени по формуле

К=δ/√τ

и оценить его постоянство или непостоянство в данной работе.