Условия протекания кристаллизации определяют структуру сплава и отливки. В общем случае макроструктура отливки или слитка состоит из трех структурных зон: наружной из мелких зерен, промежуточной из столбчатых кристаллов и центральной из равноосных кристаллов. Кристаллическое строение отливки определяется многими факторами, связанными как с процессом образования зародышей, так и со свойствами сплава и формы. В зависимости от условий кристаллизации кристаллы растут с различными скоростями, что, в свою очередь, должно отражаться на форме отдельных кристаллов и в морфологии фронта их ростам
Объем твердой фазы пропорционален выделяющейся теплоте кристаллизации, а ее поверхность Fбудет определяться следующим выражением, полученным И.Б. Куманиным:
F= (LΔtM ДШ)/(ntлσт-ж), (12)
где М — масса твердой фазы; п — коэффициент, учитывающий плотность дислокаций на поверхности кристалла, п= 1,2 ÷ 2,3.
Увеличение поверхности твердой фазы может происходить в результате появления новых кристаллов (увеличения числа центров кристаллизации) или разветвления имеющихся кристаллов.
С увеличением переохлаждения увеличивается суммарная поверхность растущих кристаллов. Это значит, что Fрастет с повышением скорости охлаждения, и в сплаве, затвердевающем в металлической форме, поверхность кристаллов будет больше, чем в сплаве, затвердевающем в песчаной форме.
Поверхность кристаллов увеличивается с уменьшением межфазного натяжения на границе с жидкостью, которое тем меньше, чем ближе состав жидкости к составу твердого тела. Таким образом, чистые металлы должны обладать склонностью к разветвлению кристаллов, т. е. формированию дендритов. Сплавы с широким интервалом кристаллизации по горизонтали не склонны к дендритной кристаллизации из-за большого различия свойств жидкой и твердой фаз.
Переохлаждение, возникающее в реальных условиях, почти всегда создает условия для искажения кристаллов, деформация которых поддерживает подвижное равновесие между υΔtи υQ (см. рис. 8).
И. Б. Куманин предложил разбить процесс формирования структуры отливки на пять стадий:
I. стадия протекает в
период заливки литейной формы и в первые моменты после ее окончания. Значение
коэффициента теплоотдачи α= bо/
очень большое (τ. → 0; α→∞),
поэтому в тонком поверхностном слое отливки температура резко понижается, в то
время как практически во всех остальных слоях сохраняется температура перегрева
(рис. 9, а). На границе контакта с формой образуется тонкая твердая
корка 1, а также очень тонкий слой твердожидкого сплава — двухфазная
область 2, В центральной части отливки сохраняется область жидкого сплава
3.
Рис. 9
Кристаллы в этом слое растут в условиях высокой степени переохлаждения, что приводит к образованию большого числа центров кристаллизации за счет возникновения зародышей как на подложках, так и без них. Появление большого числа зародышей вызывает интенсивный рост суммарной поверхности кристаллов. Одновременный рост многих кристаллов в этой зоне происходит в условиях взаимной конкуренции, что приводит к формированию мелкозернистой макроструктуры. Мелкие равновесные кристаллы, образующиеся в поверхностном слое отливки, называют замороженными кристаллами. Большая скорость отвода теплоты, в том числе теплоты кристаллизации, предопределяет разветвленное строение кристаллов, деформирующихся в этих условиях. Это приводит к тому, что микроструктура мелких зерен, как правило, характеризуется дендритным строением.
II. стадия процесса затвердевания протекает после образования твердой корки в поверхностном слое, когда возрастает сопротивление отводу теплоты от расплава к форме. В этот период происходит выравнивание температур поверхностного и центральных слоев за счет конвекции расплава. Это может привести к полному или частичному расплавлению образовавшейся твердой корки. Затвердевание на этой стадии идет до тех пор, пока в центральной зоне продолжается конвекция, выравнивающая температуру расплава.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.