Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 9

Назовите основные виды осаждения материалов из парогазовой фазы, перечислите их основные характеристики и областиприменения.2. Какой вид осаждения материала целесообразно применятьдля получения сопла ракетного двигателя из вольфрама?3. Перечислите основные процессы, относящиеся к газофазнойметаллургии. Какие процессы применяют для соединения изделийиз тугоплавких металлов?4. Какие процессы протекают одновременно при химикотермической обработке заготовок?5.

Сформулируйте условия, необходимые для химическогоосаждения материала при нанесении покрытий на заготовки иформирования пленок.43Лекция № 5. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОКИ ИХ ОБРАБОТКА В ЖИДКОЙ ФАЗЕВ этой лекции рассмотрены научные основы технологическихпроцессов получения заготовок в жидкой фазе, а также причиныобразования дефектов при кристаллизации и охлаждении.

Вы ознакомитесь с основными закономерностями получения заготовок методами литья, сварки плавлением, процессами наплавки, газотермического нанесения покрытий и электроэрозионной обработки.5.1. Основные фазы кристаллизацииПолучение заготовок в жидком состоянии предполагает, как правило, расплавление основного и (или) присадочного материала; заполнение специально подготовленной формы или зазора между соединяемыми элементами и кристаллизацию жидкой металлической фазы.Формирование большинства свойств заготовки определяетсяпервичной кристаллизацией.

Для получения слитков, отливок, сварных и паяных швов с требуемой структурой нужно уметь управлятьпроцессом кристаллизации. Это возможно только на основе знаниязаконов кристаллизации, понимания тех явлений, которые происходят в металле или сплаве в процессе его затвердевания.Согласно общей теории кристаллизации, процесс затвердевания определяется двумя факторами:− скоростью возникновения центров (зародышей) кристаллизации в единице объема жидкой фазы;− скоростью роста зародыше й кристаллизации.Наблюдение за кристаллизацией слитков, отливок и сварныхшвов подтвердило достоверность гипотезы о направленной последовательной кристаллизации. Согласно этой гипотезе, затвердевание начинается на поверхности соприкосновения со стенкамиформы или сварочной ванны и развивается от периферии к тепловому центру.При изготовлении слитков и отливок источником образованиязародышей чаще всего являются твердые частицы (неметалличе44ские включения, оксиды, тугоплавкие металлы и т.

д.), которыевсегда присутствуют в расплаве. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, меньше размеры кристаллитов и выше механические свойства. Для получения мелкозернистой структуры в жидкий металл вводят примеси (модификаторы), которые,практически не изменяя химический состав сплава, улучшают механические свойства заготовок.Наибольшее влияние на процесс кристаллизации металла и сплава оказывают теплоемкость, скрытая теплота плавления, температурный интервал кристаллизации и степень переохлаждения расплава.Чистые металлы, как правило, кристаллизуются в дендритностолбчатую структуру (рис.

5.1, а), а сплавы – в дендритноравноосную (рис. 5.1, б). При этом чем больше температурный интервал кристаллизации сплава, тем резче проявляется дендритноравноосная структура.абРис. 5.1. Схема направления отвода и роста кристаллитов:а – для чистого металла; б – для сплавов с широким интервалом кристаллизации:1 – направления отвода теплоты; 2 – направления роста кристаллитов;3 – тепловой центр45Разный характер кристаллического строения металлов и сплавов объясняется тем, что состав жидкого металла постоянен и неизменяется с уменьшением температуры.

Доступ жидкого металлак поверхности кристаллизации неограничен, и рост кристаллитовпроисходит преимущественно в направлении, противоположномнаправлению отвода теплоты, поэтому образуется плотная дендритно-столбчатая структура. Аналогичная схема кристаллизацииреализуется при затвердевании химических соединений.В эвтектике при постоянной температуре кристаллизуются одновременно несколько фаз, причем одна из них создает «скелет»кристаллита, а другие отлагаются в междуосных пространствахэтого скелета.При затвердевании сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации создаются благоприятные условия дляроста не только главных, но и вторичных ветвей дендритов. Приэтом кристаллит тем более разветвлен, чем шире интервал кристаллизации.Питание дендритов при охлаждении сплавов с широким интервалом кристаллизации затруднено, так как оставшегося жидкогометалла между ветвями дендритов недостаточно для компенсацииусадки.

При этом чем шире температурный интервал кристаллизации, тем хуже питание дендритов и ниже плотность литой структуры заготовки.Кристаллизация под давлением (жидкая штамповка или точечная сварка) является одним из прогрессивных технологическихпроцессов, позволяющих получить плотную макроструктуру заготовок с высокими свойствами. В результате воздействия давленияна кристаллизующийся расплав происходит:− уменьшение размера крист аллитов;− равномерное распределени е неметаллических включений;− увеличение однородности за счет уменьшения степени развития ликвационных процессов;− изменение состава и харак тера распределения фаз;− повышение физико-механи ческих свойств заготовок.5.2.

Причины образования дефектов при кристаллизациии охлаждении заготовокОдной их основных особенностей процесса кристаллизацииметаллов и сплавов является усадка, которая протекает в слитках,отливках, сварных и паяных швах при затвердевании и последую46щем охлаждении. Изменение объема заготовки зависит от еесвойств, температуры и скорости охлаждения.Подавляющее большинство металлов и сплавов плавятся сувеличением объема и кристаллизуются с его уменьшением.

Некоторые материалы (серый чугун, висмут, сурьма и др.) плавятся суменьшением объема и кристаллизуются с его увеличением. Объемная усадка материала слагается из усадки в жидком состоянии, вмомент кристаллизации и в твердом состоянии.Расплавы имеют различный характер распределения усадки пообъему. Так, у технически чистых металлов, сплавов эвтектического типа и химических соединений объемная усадка проявляетсяв основном в виде концентрированных усадочных раковин.

Сплавы, кристаллизующиеся в интервале температур, характеризуютсяналичием усадочной (рассеянной) пористости и усадочных раковин. При этом чем больше температурный интервал, тем рассеянней объемная усадка и меньше усадочная раковина (рис. 5.2).Рис. 5.2. Характер зависимости между составом сплавови распределением объемной усадки в виде пор:1 – объем рассеянных пор; 2 – объем усадочных раковинОхлаждение и кристаллизация жидкого металла происходятпоследовательно с поверхности вовнутрь заготовки.

В результате47неравномерного охлаждения в изделии возникают термическиенапряжения, причем чем меньше разница в температурах отдельных слоев, тем ниже их уровень. Поэтому для получения заготовок(отливок сварных конструкций) с высокими механическими свойствами и минимальными термическими напряжениями необходимо обеспечивать высокую скорость кристаллизации жидкого металла с последующим медленным охлаждением изделия до температуры окружающей среды.Напряжения в заготовках возникают также в результате сопротивления инструмента (литейной формы, стержня, сварочного приспособления) свободной усадке металла при их изготовлении.

Чем меньше податливость формы или выше жесткостьзакрепления свариваемых элементов, тем меньше фактическаялинейная усадка металла и выше уровень напряжений в получаемых изделиях.При изготовлении заготовок из легированных и высокоуглеродистых сталей методами литья и сварки плавлением, как правило,возникают объемные структурные напряжения. Объясняется этотем, что при охлаждении изменяется структура металла (размеры ивзаимное расположение зерен), что сопровождается изменениемобъема металла и вызывает внутренние напряжения.

Уровень этихнапряжений возрастает с увеличением скорости охлаждения заготовок. При получении отливок и сварных конструкций из низколегированных и низкоуглеродистых незакаливающихся сталейструктурные напряжения малы и возникают редко.В том случае, если значение суммарных напряжений на какомлибо участке заготовки превышает предел прочности материала,образуются трещины. Искажение геометрической формы изделийбез разрушения (коробление) происходит в тех случаях, когда значение напряжений превышает предел текучести, но ниже пределапрочности материала заготовки.К числу наиболее распространенных дефектов, возникающих вотливках и сварных соединениях, относятся горячие и холодныетрещины.Горячие трещины в заготовках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при температуре, близкой к температуре солидуса. Эти трещины проходят по границам кристаллитов и имеют окисленную поверхность.