Некоторые свойства жидких расплавов.
При нагревании твердого тела подводимое к нему тепло расходуется, в основном, на увеличение запаса внутренней энергии кристалла (кинетической энергии тепловых колебаний и потенциальной энергии взаимодействия частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки). Сильное нагревание приводит к переходу вещества из кристаллической фазы в жидкую (плавление) или в газообразную (сублимация, возгонка). Это происходит при такой температуре, когда смещения атомов из положения равновесия соизмеримы с равновесными расстояниями между ними в решетке.
Плавление твердого тела начинается при определенной температуре, называемой температурой плавления Тпл. Процесс плавления происходит при постоянной для данного давления Тпл и соответствует одновременному существованию твердой и жидкой фаз. Количество тепла, которое необходимо подвести к единице массы твердого тела при постоянной температуре Тпл для осуществления плавления, называется удельной теплотой плавления lпл. В таблице 2.4 приведены некоторые значения lпл[Дж/кг]. Следует отметить, что наиболее легкоплавкими являются сплав Вуда lпл = 0,35*105 , свинец lпл = 0,22*105.
Для большинства веществ с увеличением давления температура плавления повышается.
Обычно жидкие растворы изотропны. Молекулы жидкости совершают тепловые колебания около положения равновесия со средней частотой, близкой частотам колебаний атомов в кристаллах и амплитудой, определяемой свободным объемом, предоставленным молекуле ее соседями. По истечении некоторого времени `t, время релаксации, эти положения равновесия смещаются на расстояния порядка 10-8см. Такие перемещения совершаются в виде активированных скачков с преодолением потенциального барьера, энергия которого обусловлена связью с соседними частицами. Время релаксации уменьшается с ростом температуры.
Действие внешних сил, стремящихся изменить форму жидкости и обуславливающих ее текучесть, связано с временем релаксации `t. Если время внешнего воздействия мало по сравнению с временем релаксации, то частицы жидкости не успевают изменить своего положения. Текучесть здесь не проявляется. Если же это время велико по сравнению с `t , то за это время частицы много раз перемещаются из одного положения равновесия в другое, и такие перемещения, быстро следующие друг за другом, проявляются в текучести жидкости.
Много фактов свидетельствуют о сходстве жидкостей с твердыми телами.
Ренгеноструктурный анализ показал, что расположение частиц в жидкостях при температурах, близких температуре кристаллизации, не является хаотическим. Рентгенограммы жидкостей при невысоких температурах сходны с рентгенограммами поликристаллических твердых тел. Жидкость можно рассматривать как тело, состоящее из очень большого числа беспорядочно ориентированных кристалликов субмикроскопических размеров.
При плавлении твердых тел увеличение объема не очень велико (до 10%), т.е. расстояния между частицами в жидкости и в твердом теле близки. В расположении их в твердом и жидком состояниях имеется сходство. Соотношение теплоты плавления и испарения также свидетельствует о близости их свойств.
Вязкость жидкостей уменьшается с ростом температуры.
Литейные свойства сплавов:
1. Жидкотекучесть- способность течь в расплавленном состоянии по каналам формы. Наибольшая жидкотекучесть у серого чугуна, наименьшая- у магниевых сплавов.
2. Усадка- уменьшение объема при затвердевании.
Линейная усадка определяется по формуле
eл= (lф- lот)100/lф при 20°С.
Объемная усадка
eоб= (Vф- Vот)100/Vф » 3eл .
Для чугунов Сч 12- Сч 28 eл= 0,7- 1,0%; Сч 32- Сч 44 eл= 1- 1,3%;
для сталей eл» 2%, но у некоторых может достигать 3%.
При охлаждении отливки происходит механическое и термическое торможение. 1-е возникает из-за трения между отливкой и формой; 2-е- из-за различных скоростей охлаждения частей отливки.
3. Усадочные раковины и усадочная пористость.
Усадочные раковины являются результатом объемной усадки.
Усадочная пористость возникает из-за сращивания образующихся кристаллов, приводящем к образованию пустот.
4. Ликвации- это неоднородность химического состава в различных частях отливки. Она появляется из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах.
Жидкие металлы и сплавы активно поглощают разные газы. С увеличением температуры их растворимость повышается. В случае избыточного содержания газы выделяются в виде пузырьков, всплывающих на поверхность или остающихся в отливке. Если такие пузырьки остались в отливке после затвердения, то ее механические свойства и герметичность ухудшатся.
Для уменьшения газосодержания плавку ведут под слоем флюса, а перед заливкой в форму расплавленный металл вакууммируют.
Некоторые особенности гидравлики расплавов.
Движение расплава подчиняется дифференциальному уравнению Навье - Стокса [8], которое в случае несжимаемой среды записывается в форме
dw/dt= F r-1grad p+n(¶ 2w/ ¶x2+ ¶ 2w/¶y2+ ¶ 2w/¶z2), (4-1)
где w, v, р - скорость движения; кинематическая вязкость; давление в среде; F вектор внешних массовых сил.
При отсутствии внешних массовых сил в случае равновесия уравнение приводится к виду gradp= 0, т.е. давление во всех направлениях одинаково. При учете сил тяжести p= po+ rgh, где h - глубина погружения относительно начальной точки.
Одним из вариантов решения уравнения (4-1) является интеграл Бернулли
w2/2+ p/r+ gh= const. (4-2)
Из уравнения (4-2) следует, что скорость истечения расплава может быть определена с помощью выражения[15]
w= z(2gp/g)1/2. (4-3)
где z - коэффициент потерь напора.
Режим движения потока расплава характеризуется критерием Рейнольдса
Re= wcplo/v, (4-4)
где wcp - средняя по сечению скорость движения потока; lo - характерный размер полости; v - кинематическая вязкость.
Если Re< Reкр, то режим течения ламинарный, при Re> Reкр - турбулентный. По данным Голдина Н.М. для алюминиевых (например, Al9 при Т= 760°С , v= 6*10-7м2/с) и магниевых сплавов Reкр= 10875- 12075 в стояке, Reкр= 7000- 8450 в литниках.
При ламинарном течении скорости движения струй потока имеют по радиусу сечения параболический характер с нулевой скоростью у стенки, а потери напора пропорциональны 1-й степени скорости течения.
При турбулентном течении по большей части сечения скорости практически равны, а потери напора связаны со средней скоростью соотношением р= v a, где a> 1.
Мощность струи расплава
Nc= Qcrw2c /2= fcrw3c/2= 0,5 fcrz 3(2ghc)3/2, (4-5)
где Qc - геометрический расход; r - плотность; hc - высота напора.
Различают течение с заполненным и незаполненным сечением стояка. В 1-м случае расплав окисляется незначительно и шлак не задерживается.
Обычно стремятся повысить гидравлическое сопротивление каналов литников, чтобы струя металла медленно втекала в форму. При этом меньше разрушений формы и металл оказывается в более спокойном состоянии.
Дата добавления: 2015-02-19; просмотров: 821;