ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ОТЛИВОК ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДА ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Цели работы
1. Изучение определений и основных закономерностей процесса кристаллизации расплава в форме.
2. Приобретение умения и навыков экспериментального построения температурного поля отливки и определения продолжительности затвердевания отливок.
3. Овладение методиками выполнения работы, обработки экспериментальных данных и анализа полученных результатов исследования.
Работа выполняется за 4 часа.
Теоретическая часть
Затвердевание отливки – это переход сплава из жидкого состояния в твердое, в процессе которого формируется структура (размер, форма и взаимное расположение кристаллов), происходит перераспределение химических элементов, протекают усадочные и газовые процессы, которые в конечном итоге определяют качество и свойства отливок.
Процесс затвердевания определяется, в основном, теплотехническими факторами: теплофизическими константами сплава и формы, константами на поверхности их раздела, расположением отливки в форме и т.д.
Расплав, залитый в форму, отдает ей тепло и постепенно охлаждается. Достигнув определенной температуры, он начинает затвердевать, так как твердое состояние сплава характеризуется меньшим уровнем свободной энергии и является термодинамически более устойчивым.
Теплоотвод от сплава в форме происходит через границу раздела отливки с формой. Поэтому затвердевание отливки начинается с поверхности и затем продвигается вглубь. Толщина затвердевшего слоя отливки по мере отвода тепла возрастает.
|
|
|
Сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур, затвердевают с образованием твердо-жидкой (двухфазной) области, которая по мере охлаждения перемещается от поверхности к центру отливки до тех пор, пока в центре не будет достигнута температура ликвидуса. С этого момента исчезает зона перегретого сплава, в отливке присутствуют только двухфазная зона и твердая фаза. При достижении в центре отливки температуры солидус исчезает двухфазная зона, отливка полностью затвердевает.
Ширина двухфазной области зависит от перепада температур по сечению отливки и величины интервала кристаллизации данного сплава. Сплавы эвтектического состава и чистые металлы затвердевают при постоянной температуре и не образуют двухфазной зоны; в них имеются две четко различающиеся зоны – твердая и жидкая.
Интенсивность теплового взаимодействия формы и отливки определяет скорость перемещения фронта затвердевания и нарастания твердой корки.
В начальной стадии затвердевания температурный градиент между отливкой и формой и, следовательно, скорости охлаждения и нарастание слоя твердого металла, максимальны. В последующие моменты, вследствие прогрева литейной формы, скорости охлаждения и, соответственно, затвердевания, постепенно убывают.
|
|
|
Кинетика затвердевания отливки характеризуется изменением толщины слоя затвердевшего сплава во времени (2.1).
 ,
| (2.1) |
где ξ – толщина корки затвердевшего сплава, м; τ – время с момента начала затвердевания, c; K – константа скорости затвердевания, м/с0,5.
Константа скорости затвердевания K зависит от теплофизических свойств сплава, литейной формы и условий их теплового взаимодействия, и при затвердевании в песчаных формах рассчитывается по формуле:
 ,
| (2.2) |
где Jпов, Jзал и JS – относительные температуры поверхности формы, заливки и солидус соответственно, К;
 ,  ,  .
| (2.3) |
Допущения:
1. Сплав заливается мгновенно, без перегрева, так что Jзал ≈ JS.
2. Уже в первый момент на поверхности раздела «отливка – форма» устанавливается температура Jпов ≈ JS, которая поддерживается неизменной весь период затвердевания.
3. Ширина интервала кристаллизации сплава равна нулю.
4. Теплофизические свойства сплава и материала формы не зависят от температуры.
|
|
|
5. Теплопередача осуществляется только теплопроводностью.
6. Между отливкой и формой сохраняется плотный контакт.
При изучении кинетики затвердевания отливки следует брать не абсолютные значения толщины корки затвердевшего сплава, а приведенные. Для отливки в форме куба или шара приведенная толщина корки затвердевшего металла Rξ определяется по формуле:
 ,
| (2.4) |
где ξ – абсолютная толщина корки затвердевшего металла, м;
r – радиус шаровидной или половина толщины кубической
отливки, м.
С учетом формулы (2.4) можно преобразовать выражение (2.1) к виду (2.5).
 .
| (2.5) |
Экспериментальные методы изучения процесса затвердевания делятся на прямые и косвенные. К прямым методам относятся: термический анализ при помощи термопар, установленных в различных точках сечения отливки, выливание жидкого остатка и измерение толщины слоя затвердевшего сплава.
Из косвенных методов наиболее часто применяют: моделирование процесса на легкоплавких материалах, воспроизведение процесса по характеру структуры, моделирование затвердевания на ЭВМ.
В данной лабораторной работе затвердевание отливки экспериментально изучается с помощью термического анализа, который позволяет определить по одним и тем же кривым охлаждения продолжительность и критические температуры затвердевания. Этот метод позволяет фиксировать неравновесное состояние затвердевающих сплавов.
|
|
|
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 205; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!