Введение к работе
Актуальность темы. Установление теоретическиг закономерностей формирования кристаллических структур, определение масштабов дендритов и зерен в широком диапазоне переохлаждений расплавов является актуальной и нерешенной еще задачей прогнозирования качества слитков, отливок, сварных швов, твердых слоев и лент. Решение этой задачи во многом зависит от развития теории кристаллизации металлических сплавов, построения математических моделей дендритного и зереннсго структурообра-зования, отражающих современные' представления о физических механизмах фазовых превращений и кристаллохимических особенностях строения металлов.
К настоящему времени отечественными и зарубежными исследователями накоплен обширный экспериментальный материал по определенно морфологических особенностей роста кристаллов и сопутствующих фаз из многокомпонентных металлических расплавов. С другой стороны, теоретическое изучение механизмов структурообраэования ограничено, как правило, аналитическими исследованиями тепловых или диффузионных условий роста геометрически простых структур.
Многообразие кристаллических структур в зависимости от химического состава. термических условий охлаждения и анизотропных характеристик кристаллического роста ке позволяет решить детально задачу прогнозирования первичной структуры сплавов, исходя из существующих экспериментальных данных и аналитических решений. Поэтому некоторые важные аспекты формирования такой структуры остается неясными, не получившими теоретического описания, а сама проблема эффективного воздействия на качество литого сплава весьма далека от решения.
Применение быстродействующих компьютеров, обладающих большими вычислительными возможностями, в совокупности с натурными эспериментальными исследованиями дает возможность перспективного изучения устойчивых неравновесных кристаллических структур, отличающихся значительной геометрической сложностью.
Цельр работы является разработка физической теории и математических моделей, проведение компьютерного моделирования
и выявление общих закономерностей формирования дендритной и зеренной структуры металлических сплавов.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
изучение механизмов дендритного и зерешюго структуро-образования, основанных на представлении о кристалдохимических особенностях строения сплавов и процессах тешю-массопереноса при кристаллизации;
теоретико-физический анализ роста кристаллов плоской, ячеистой и дендритной формы на основе формализма линейной и нелинейной термодинамики необратимых процессов;
экспериментальное исследование распределения химического, фазового состава и кристаллографических особенностей в масштабах дендритно-эеренного строения металлических сплавов;
построение математических моделей и проведение компы>-терного моделирования анизотропного роста дендритов и зерен в условиях совместного протекания процессов тешто-иассопереноса;
установление связи сложной геометрии дендритных кристаллов с характеристиками разветвленной структуры фрактальных агрегатов;
выявление физических механизмов формирования дендритной и зеренной структуры в металлических сплавах методами компьо-терного моделирования.
Научная новизна и положения, выносимые на задиту. Проведен теоретико-физический анализ неравновесного роста кристаллов в двухфазной зоне металлических сплавов с использованием линейной и нелинейной термодинамики необратимых процессов. Условия термодинамической устойчивости плоского и ячеисто-дендритного фронта кристаллизации включают в рассмотрение известные классические критерии стабильности форм роста как частные случаи.
В рамках предложенного механизма многоступенчатой кристаллизации экспериментально исследована структурная и фазовая неоднородность литых нержавеїзцих сталей аустенитиого класса. Микрохимический анализ дендритной структуры позволил выявить периодическое распределение компонентов стали, которое объясняется процессом дендритной ликвации, мехфазным феррито-аусте-нитныы перераспределением и химическим взаимодействием конпо-
*1
нентов. Микрофрактографическое исследование физических не-сплошностей позволило оценить размеры дендритов и сформировавшихся микрозерен. Макрозерна аустенита, по данным металлографического и рентгенографического исследования, представляй1 собой скопления малоугловых микрозерен, а сами макрозерна стыкуется друг с другом по высокоугловыы границам. Эти исследования позволили сформулировать механизм формирования структуры в сплавах, при котором макрозерно формируется пакетом дендритов с одинаковой кристаллографической ориентацией.
Разработаны компьютерные модели анизотропного и квазииэотропного роста дендритов и кристаллических зерен при структурообраэовании металлических сплавов в широком диапазоне переохлаждений. При моделировании свободного или кооперативного дендритного роста установлено, что анизотропия поверхностных свойств кристалла, выступающая в роли сингулярного возмущения, определяет направления преимущественного роста на начальном этапе, а распределение компонентов сплава определяет механизм разветвления боковой поверхности появившихся выступов на последующих стадиях роста. Квазиизотропная модель дендритного роста, в которой направления преимущественного роста определяются анизотропией вычислительной схемы, дает возможность проследить формирование дендритной .морфологии, начиная с некоторого переохлаждения, ниже которого наблюдается ветвящаяся структура, присущая фрактальным агрегатам. Зеренная структура, моделируемая пакетом дендритов с одинаковой средней кристаллографической ориентацией, формируется по механизму геометрического отбора, характерного при последовательной кристаллизации сплавов в больших объемах. При моделировании анизотропной дендритной структуры установлено, что на стационарной стадии роста в диапазоне средних переохлаждений наблюдается резкое увеличение невозмущенной области позади вершины дендрита при постепенном увеличении расстояния между быстрорастущими вторичными ветвями. Это неравновесное укрупнение кристаллической структуры обусловлено закономерностями развития анизотропных дендритов без смены преиму-із.ественного направления роста.
Опенка степени разветвленности. дендритов на решетке с осью симметрии 4-го порядка проведана с помощью расчета
фрактальной размерности, что дает возможность классифицировать сформулированную в работе макроскопическую модель кристаллического роста в рамках моделей необратимого роста случайных и упорядоченных структур. Количественная оценка фрактальной размерности позволяет выделить промежуточную, фрактальную стадию геометрического фазового перехода от дендритной к глобулярной форме кристаллических морфологии, которая заключается в постепенном увеличении дисперсности дендритной структуры при высоких переохлаждениях. .
Практическая значимость работы. Теоретике-физический анализ и построенные математические модели дендритно-зеренного структурообразования могут быть использованы для: оценки дисперсности кристаллической структуры в слитках, изделиях и сварных швах; определения характерного времени выравнивания химической неоднородности литых сплавов при термической обработке; интерпретации результатов экспериментов по кристаллизации сплавов в широком диапазоне скоростей охлаждения, в частности, для описания метастаоильных твердых состояний при быстрой кристаллизации; развития феноменологической теории многофазной кристаллизации и разработки пакетов прикладных программ для автоматизированного проектирования металлургических технологий.
Апробация работы и публикации. Основные положения к результаты диссертации были представлены и обсуждены на Всесоюзных конференциях "Оптимизация процессов промышленной кристаллизации и разработка систем автоматизированного проектирования, технологии литья" (Ижевск, 1986 г.), "Проблемы стального слитка" (Мариуполь, 1987 г.), "Проблемы промышленной кристаллизации1 и компьютерное моделирование металлургических технологий" (Ижевск, 1988 г.). Научном семинаре "Повышение качества и интенсификация производства отливок на основе применения ЭВМ" (Ленинград, 1989 г.3, секции "Моделирование расплава и кристаллизации сплавов" на 3 Международной конференции "Fofco!np-90" (София. 1990 г.), Всесоюзной конференции "Проблемы кристалгаации сплавов и компьютерное моделирование" (Ижевск, 1390 г.), 1 и 2 Уральской ьюле-с^мннаре "Рост кристаллов металлов и интерметаллидов из раеллава" (Свердловск. 1990, 1991 гг.).
Є.
По теме диссертации опубликовано 7 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, двух приложений, заключения, списка литературы из 114 наименований, изложена на 245 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 5 таблиц.
Похожие диссертации на Феноменологическая теория образования первичной структуры при кристаллизации сплавов
