ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Рыжкова И.О.,Дождиков В.И.

Липецкий государственный технический университет


Номер: 7-1
Год: 2015
Страницы: 70-74
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

кластер, примесь, коэффициент аккомодации, потенциал ионизации, cluster, impurity element, sticking coefficient, ionization potential

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассмотрено влияние плохо совместимых с матричным металлом (железом) примесей с позиции затрудненности протекания процесса кристаллизации сплава. В качества определяющего фактора использовали значение коэффициента аккомодации, характеризующего возмущающее воздействие на ход кристаллизации, основы и примесных элементов.

Текст научной статьи

Взаимное расположение атомов в расплаве и его строение сказывается на структуре затвердевшего литого металла, в том числе на особенностях его кристаллического строения (дислокации, точечные дефекты, разориентированные блоки), что в конечном итоге определяет служебные характеристики готового изделия [1]. Большинство реальных многокомпонентных расплавов имеет сложное микронеоднородное строение. В различных теориях строения жидких металлов относительно устойчивые во времени динамические микрогруппировки атомов с повышенной упорядоченностью во взаимном расположении составляющих их атомов, объединенные общим колебательным движением всей группировки с преобладающими внутренними связями по сравнению с внешними называют микрокристаллами, квазикристаллами, сибатаксическими группировками, кластерами, роями и т.д. [2]. Из теории кристаллизации следует, что элементарный процесс затвердевания или плавления может происходить тогда, когда атом (кластер) на поверхности будет соответствовать следующим основным требованиям [3]: - во-первых, он должен иметь энергию, необходимую для перехода в активированное состояние; - во-вторых, составляющая скорости движения атома по нормали к поверхности раздела должна быть велика, чтобы он покинул данную фазу; - в-третьих, если атом обладает достаточной энергией и движется в нужном направлении, то он может найти геометрически подходящую позицию на поверхности другой фазы, закрепившись путем неупругого соударения. Влияние состава металла на формирование структурных зон слитка можно проследить, рассмотрев действие легирующих (Ni, Mn, Cr и др.), технологических (Al, Si и др.), примесных (O, P, S, N) элементов, а также цветных металлов (Cu, Sn и др.) на затрудненность процесса кристаллизации, что является причиной несовершенства образующейся структуры [4]. Количество плохо совместимых с матричным металлом (в данном случае с железом) примесей влияет на образование кластеров и их дальнейшее присоединение к растущей поверхности кристалла. Согласно работе [3] кристаллизация определяется вероятностью присоединения атомов (кластеров) с разными характеристиками к твердой фазе, характеризуемой коэффициентом аккомодации, рассчитываемым следующим образом: , где Ai - коэффициент аккомодации элемента i; Qпл,i - теплота плавления (кристаллизации) компонента, кДж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К); Tпл,i - температура плавления компонента, К. Таким образом, коэффициент аккомодации есть мера эффективности энергообмена на поверхности раздела между жидкостью и твердым телом. Величина Ai является функцией теплоты кристаллизации и температуры плавления (рисунок 1) и зависит от кристаллографической структуры и от кристаллографического характера поверхности твердой фазы [3]. Согласно работе [5] устойчивость присоединения кластеров примеси к основному компоненту будет определяться, прежде всего, особенностями атомно-кристаллического строения компонентов расплава (площади поверхности контакта, степени атомной шероховатости поверхности кластера, изоморфизма решеток контактирующих поверхностей, соответствия атомных размеров элементов расплава). Рис. 1 - Взаимосвязь между теплотой плавления и температурой плавления для различных структур Следовательно, можно сделать вывод, что дефектность поверхности кластера, характеризующаяся возникновением различного рода изъянов в строении матрицы, а также развитием ликвационные пороков разного уровня (макроликвация, микроликвация, образования неметаллических включений), зависит от присутствия в расплаве характерных элементов (примесей). В случае затвердевания многокомпонентного расплава элемент примеси будет оказывать тем большее возмущающее воздействие на процесс кристаллизации расплава, образование несплошностей и дефектов структуры, чем значительнее отличается его коэффициент аккомодации от коэффициента аккомодации элемента матрицы (рисунок 2) [6]. Рис. 2 - Значения относительного коэффициента аккомодации (относительно железа) для некоторых элементов Различия в значениях коэффициентов аккомодации зависят от индивидуальных физических характеристик атомов (величины заряда ядра, радиуса атома, от экранирующего влияния других электронов (эффективного заряда ядра) и др.), суммарно описываемых величиной потенциала ионизации, характеризующего прочность связи электронов в атоме [7]. Авторы работы [8] на примере кислорода, элемента с сильной электроотрицательностью, показали, что в расплаве железа, содержащего примесные атомы, будет обостряться микронеоднородность. Атом кислорода возмущает электронные оболочки соседних атомов железа, так что усиливается способность d-электронов последних к появлению квазиковалентных связей. Расплав представляет собой микрообласти, состоящие из атомов, находящихся в сфере влияния потенциала примесного кластера, соседствующего с микрогруппировками из «невозмущенных» атомов железа (рисунок 3). Рис. 3 - Влияние примеси на образование микронеоднородной структуры железа по модели работы [9]: заштрихованные области - кластеры различных типов; штриховыми линиями ограничен кластер "примесного" типа На рисунке 4 представлена взаимосвязь коэффициентов аккомодации и потенциалов ионизации элементов. Рис. 4 - Зависимость значения относительного коэффициента аккомодации (относительно железа) от относительного значения потенциалов ионизации Присутствие в расплаве таких элементов как P, O, N, C, Si, S, Al, имеющих значительное отклонение в значениях коэффициентов аккомодации и потенциалов ионизации относительно железа, будет способствовать увеличению дефектности структуры, продолжительности затвердевания и размеров междендритных пространств, степени ликвации, образования неметаллических включений, тем самым оказывая затрудняющее воздействие на процесс кристаллизации.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.