Вплив вібрації на кристалічну структуру долотної сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив вібрації на кристалічну структуру долотної сталі

Є.І. Крижанівський

Л.Д. Пітулей

Д.І. Феденчук

Отримання дрібнозернистої первинної кристалічної структури хромо-нікельової сталі передбачає підвищення границі міцності, ударної в'язкості, підвищеної схильності до пластичної деформації і меншої схильності до тріщиноутворення.

Проблема якісного литва сталі пов'язана з умовами формування дендритної кристалічної структури і розробкою надійних методів управління нею.

Кристалізовані розплави сталей є дисперсними системами з різноманітною комбінацією фаз, які відрізняються природою і агрегатним станом, розміром частинок і взаємодією між ними. Тому структурно-механічні властивості дисперсних систем залежать не тільки від проміжних, аддитивно отриманих властивостей, але й від якісно нових, не характерних для окремих компонентів. Здатність керувати процесами, що протікають в дисперсних системах, відкриває необмежені можливості для отримання матеріалів із заданими властивостями.

Розплав сталі на початку кристалізації являє собою ультрамікрогетерогенну систему [1, 2], розміри частинок якої лежать в межах від 1 до 100 нм і яка характеризується коагуляційною структурою, а в кінці кристалізації -- зв'язнодисперсну систему з конденсаційно-кристалізуючою структурою [3]. Знання загальних закономірностей утворення системи з певною структурою допомагає знаходити методи управління технологічними процесами отримання матеріалів із заданими властивостями.

Механічні властивості твердих кристалічних тіл безпосередньо залежать від властивостей структури, яка визначається як атомною і молекулярною будовою окремих кристалів зерен, так і їх розмірами, взаємним розміщенням, кількістю зв'язків між ними, наявністю дефектів, пористості та іншими факторами. Наприклад, напруження текучості згідно з рівнянням Холла-Петча [4] дорівнює

, (1)

де: , k1 - постійні величини для даного матеріалу;

D - середній розмір зерен менш міцної матриці двофазних матеріалів.

Таким чином, механічні властивості двофазних матеріалів залежать від багатьох розмірно-структурних параметрів. Як випливає з рівняння (1), існують гранично мінімальні розміри D, при яких значення міцності і пластичності досягають екстремальних значень.

Розплав матриці, що кристалізується, являє собою систему з високодисперсною твердою фазою.

В даній роботі розглядається питання впливу вібрації на коагуляційну структуру в двофазній дисперсній системі, яка містить тверду і рідку фази.

Вплив вібрації на кристалізацію розплавів досліджувався в роботах [5, 6]. В цих роботах зазначається і експериментально підтверджується, що вібрація розплаву призводить до подрібнення кристалів, однорідності структури, певної орієнтації кристалів та суттєвого зменшення пористості.

Одним із основних питань роботи є питання стійкості дисперсій до структуроутворення. Частинки з радіусами, меншими 0,1 мкм, задіяні в броунівському русі.

У відповідності з критерієм самодовільного диспергування такі дисперсії термодинамічно стійкі, оскільки їх участь у броунівському русі не дозволяє їм утворювати структуру. Критерій самодовільного диспергування визначає нижню межу області значень радіусів частинок, які здатні до структуроутворення.

Грубодисперсні системи з розмірами частинок понад 100 мкм також не можуть утворювати структур, оскільки подібна структура розвалюється під дією власної ваги. Саме умова переважання сили ваги, що діє на частинку, над силою її зв'язку з сусідніми частинками в структурі і є критерієм агрегування [7], який визначає верхню межу області значень радіусів частинок, здатних до структуроутворення.

Перенасичення в рідкій фазі досягається, як правило, шляхом переохолодження розплаву. Іншим засобом є вібрація. Вона відіграє в дисперсній системі ту ж роль, що і броунівський рух у випадку дисперсій, які складаються із субмікронних частинок. Під впливом вібрації структура сама по собі диспергується. Але на відміну від броунівського руху, єдиний параметр якого - температура - змінюється у межах порядку, параметри вібраційного впливу можна змінювати на багато порядків.

Накладання пружних коливань на розплав сталі зумовлює полікристалічну дрібнозернисту будову сталі.

При полікристалічній дрібнозернистій будові площини спайкості не співпадають в різних зернах, внаслідок чого границі пружності і міцності такої структури значно вищі, ніж в грубозернистої структури.

Чим більше зерно, тим сильніше проявляються особливості монокристалів: наявність в кристалах площин спайкості, в яких діють значно менші сили зв'язку. З ростом дисперсності зерен зменшується ймовірність співпадання площин спайкості, і міцність сталі збільшується. Подрібнення матеріалу призводить до зменшення дефектів в структурі частинок, оскільки руйнування проходить по найбільш небезпечних дефектах. Як наслідок міцність частинок і матеріалу із них зростає із збільшенням дисперсності. Таким чином, шлях до міцності матеріалів лежить через їх руйнування.

Проблема отримання якісного литого металу пов'язана перш за все з умовами формування дендритної кристалічної структури і з розробкою надійних методів управління нею.

Найбільш важливим параметром, який характеризує якісні властивості або недоліки, є дисперсність дендритної структури, яка визначається відстанями між осями дендритів.

Зменшення відстані між осями дендритів першого і другого порядку сприяє отриманню більш міцних і пластичних виливок і залежить від величини переохолодження розплавів [8].

Відстань між осями першого порядку за даними роботи [9] дорівнює (рис. 1)

,

де: Dеф - сумарне значення ефективного коефіцієнта масопереносу, який не залежить від сили тяжіння;

vкр - швидкість кристалізації розплаву.

Сумарне значення ефективного коефіцієнта масопереносу дорівнює

Dеф =Dв + Dа + Dус ,

де: Dв - коефіцієнт переносу під дією вібраційної сили;

Dа - коефіцієнт атомної дифузії;

Dус - коефіцієнт усадочної конвекції при фазовому переході.

В полі пружних хвиль зменшуються сумарне значення ефективного коефіцієнта масопереносу за рахунок виключення ряду видів масопереносу і відстань між осями дендритів, що в свою чергу полегшує руйнування дендритів.

Розглянемо механізм впливу пружних коливань розплаву сталі на коагуляційну структуру в двофазній дисперсній системі, яка складається із твердої і рідкої фаз. В початковий момент охолодження розплаву сталі по поверхні об'єму розплаву кристалізується незначний шар - кірка рівноосних зерен, яка являє собою неперервну структуру.

Для отримання невеликих пухирців і великих кавітаційних тисків, які викликають руйнування кристалів, розплав повинен мати якомога менший діаметр дисперсних частинок і газових пухирців тому, що зародками кавітації є тверді частинки розплаву, газові пухирці і неметалеві включання. Отже, необхідне подрібнення первинного зерна з допомогою вібраційної обробки.

Механізм подрібнення первинного зерна зводиться до таких основних процесів:

- гетерогенного та гомогенного зародження центрів кристалізації;

- руйнування дендритів шляхом відриву частинок з їх поверхні.

Вібраційна обробка застигаючого розплаву характеризується наявністю макропереміщень об'ємів металу і його перемішуванням, виникненням пружних коливань у розплаві і переміщенням мікрооб'ємів розплаву, виникненням і розвитком кавітації.

Таким чином, при виникненні в розплаві кавітації головною причиною руйнування дендритів є дія сил, що виникають при захлопуванні кавітаційних порожнин.

Одним із ймовірних механізмів подрібнення первинного зерна є зародження в переохолодженій зоні розплаву центрів кристалізації внаслідок значних тисків, які розвиваються при руйнуванні кавітаційної порожнини. Другим механізмом подрібнення зерна є механічне руйнування фронту кристалізації внаслідок деформації кристалів під дією потужних ударних хвиль, що виникають при руйнуванні кавітаційних порожнин. При цьому під дією кавітації біля фронту кристалізації утворюються повторно, і руйнуються кавітаційні пухирці, які викликають підплавлення фронту, що призводить до його поступової ерозії.

В подальшому такий нерівний фронт руйнується шляхом рекристалізації з подальшим відщепленням і перенесенням в розплав уламків кристалів.

Як показали теоретичні дослідження [2] седиментаційну рівновагу арміторів в розплаві сталі забезпечують низькочастотні коливання розплаву (= 250с-1; А=0,1 мм).

При цих частотах коливань розплаву швидкості переміщення розплаву відносно фронту кристалізації достатні, щоб призвести до руйнування дендритів, наслідком якого є помітне подрібнення первинного зерна.

При перебуванні виливка в полі пружних хвиль кожен елементарний об'єм зони двофазного стану відчуває сили вібраційної дії, які викликають руйнування як дендритних гілок твердо-рідкої зони, так і плаваючих кристалів рідко-твердого стану сплаву.

Двофазна зона є зоною металу в інтервалі кристалізації, в твердо-рідкій частині якої відбувається ріст гілок дендриту, які приєднуються до поверхні форми. Із зовнішньої сторони цієї зони знаходиться рідко-тверда зона плаваючих кристалів.

Первинні зерна дендриту мають конусоподібну форму (рис. 1) [9].

Рисунок 1. Схема росту віток дендриту на стінках ливарної форми

Розглянемо поведінку частинок дендритів при дії на них вібрації. Дослідимо випадок слабкого руйнування структури дендриту, коли розмір частинки rч достатньо великий [7],

, (1)

де: - динамічна в'язкість розплаву сталі, яка заповнює простір між частинками;

- параметр, який характеризує глибину проникнення коливань у розплав.

- густина розплаву сталі;

- частота вібрації.

В'язкість рідко-твердої зони плаваючих кристалів - величина порядку в'язкості даної системи при повному руйнуванні дендриту

,

де: - в'язкість розплаву сталі;

- деяка функція об'ємного вмісту твердої фази ц. Якщо виконується умова (1), то частинки не захоплюються коливаючим розплавом і умову їх руйнування можна отримати, розглянувши коливання розплаву із швидкістю поблизу поверхні частинки. Якщо , то вібруючий розплав „не помічає” дискретного характеру поверхні.

Розглянемо механізм руйнування неперервної структури дендриту, частинки якого знаходяться в консервативному полі, на першій стадії під дією вібрації. Тому взаємодію частинки в агрегаті, зумовлену вібраційною силою, можна представити як частинку-осцилятор, яка здійснює вимушені коливання навколо положення рівноваги (рис. 2) [10].

Рисунок 2. Динамічна модель руйнування дендриту долотної сталі з допомогою вібрації

Диференціальне рівняння вимушених коливань частинки має вигляд

, (2)

де: уч - координата частинки по відношенню до дендриту;

nі - коефіцієнт затухання руйнування дендриту;

- частота власних коливань частинки дендриту;

а - доля амплітуди вимушеної сили, яка відповідає одиниці маси частинки.

Коефіцієнт затухання руйнування дендриту дорівнює

,

де: - коефіцієнт в силі опору рухові частинки в розплаві сталі;

mч - маса частинки.

При відносному рухові частинки радіусом зі швидкістю сила опору Fоп при відстані між частинками hч << rч визначається формулою [11]

.

У цьому випадку коефіцієнт затухання дорівнює

,

де - коефіцієнт кінематичної в'язкості розплаву сталі.

Частота власних коливань частинки кристала дорівнює

. (3)

Представимо рух частинки коло близького і дальшого потенціального мінімуму, як коливання гармонічного осцилятора з власними частотами відповідно . Згідно з рівнянням (3)

;

,

де U1 - потенціальна енергія зв'язку частинки в структурі агрегату, утвореної в результаті тільки дальньої коагуляції, а U2 - за рахунок близької коагуляції.

Потенціальна енергія для цих двох випадків визначається таким чином [7]:

;

де: z1 - число найближчих сусідів частинки в структурі;

В - постійна;

(тут q заряд іонів розплаву, cе - концентрація розплаву;

- діелектрична постійна;

Т - температура розплаву.

Із рівняння (2) отримаємо рівняння усталених вимушених коливань частинки

де: bі - амплітуда вимушених коливань частинки;

Ш - початкова фаза.

Частинку можливо вибити із потенціальної ями, якщо виконується одна з таких умов [7]:

, (4)

. (5)

Якщо виконується умова (4), то частинка буде зміщена із положення рівноваги на відстань, значно більшу від ширини ями, тобто вийде за межі дії поверхневих сил. Якщо виконується нерівність (5), то частинка, отримавши енергію, яка перевищує глибину ями, буде рухатись так, якби вона рухалась при відсутності поверхневих сил, . В обох випадках частинка ніби звільняється від зв'язків, які утримують її в структурі, тобто відбувається руйнування структури.

Умови руйнування агрегатів (4), (5) дають змогу визначити частоту вібрації розплаву сталі для дальньої і близької коагуляції частинок.

Амплітуда вимушених коливань частинки дорівнює

, (6)

де Fb - вібраційна сила, яка дорівнює [2]

,

де g - прискорення вільного падіння;

(тут - густина твердої частинки);

;

V1 - об'єм розплаву, витіснений твердою частинкою дендриту,

.

Розглянемо першу умову відриву частинки дендриту для дальньої коагуляції частинок, враховуючи умову (4) і рівняння (6)

,

де - маса частинки, або

, (7)

де .

Нерівність (7) представимо біквадратною нерівністю по відношенню до частоти коливання

, (8)

,

Розв'язавши нерівність (8), визначимо необхідні значення частоти коливання розплаву, які забезпечать необхідний номер зерна неармованої частини зубка.

Результати розрахунків представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Залежність розміру зерна від частоти вібрації розплаву

Література

вібрація хромонікелевий сталь

1. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. - М.: Металургія, 1973. - 552 с.

2. Бугай Ю.М., Пітулей Л.Д., Феденчук Д.І. Математична модель седиментаційно-вібрацій-ної рівноваги арміторів композиційного зубка шарошкового долота // Методи та прилади контролю якості. - Івано-Франківськ: Факел, 2000. - № 6. - С. 100-102.

3. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Алимина Е.А. Коллоидная химия. - М.: Изд-во Московского университета, 1982. - С. 350.

4. Хоникомб Р. Пластическая деформация метал лов. - М.: Мир, 1972. - 408 с.

5. Ефимов В.А., Эльдорханов А.С. Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов. - М.: Металлургия, 1995. - 272 с.

6. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. - М.: Металлургия, 1972. - 235 с.

7. Потанин А.А., Урьев Н.Б. Условие разрушение коагуляционной структуры вибрационным полем и критерий агрегируемости // Теоретические основы химической технологии. - 1988. - Т. ХХ11. - № 4. - С. 528-534.

8. Термодинамический анализ условий зарождения и роста кристаллов при виброобработке // Черная металлургия. - 1989. - № 9. - С. 27.

9. Эльдорхамов А.С. Исследование условий роста кристаллов в поле упругих волн // Процессы литья. - 1995. - № 4. - С. 49.

10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. - М.: Наука, 1965.

11. Дерягин Б.В., Чураев Н,В., Муллер В.М. Поверхностные силы. - М.: Наука, 1985.

Размещено на Allbest.ru