Способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны металлических сплавов

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свив-ву (22) Заявлено 070580 {21) 2922485/18-25 рп894487

I

< л

1 / г .... (Я)м. кл с присоединением заявки М

G 01 и 15/08

Государственный комитет

СССР по деаам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30,12.81, Бюллетень И9 48 (53) УДК 625 . 85 (088. 8) Дата опубликования описания 30.1281

В.Т.Борисов, Н.Ю.Колядина и Ю.Е.Матвеев

1 (1

Центральный научно-исследовательский институа черной металлургии им. И.П.Бардина (72) Авторы изобретения

{71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ДЕНДРИТНОГО

КАРКАСА ДВУХФАЗНОЙ ЭОНЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к контроль-1 но-измерительной технике и может найти применение для изучения течения междендритной жидкости в двухфазной зоне при кристаллизации металлических сплавов.

Известен способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной эоны, заключающийся в том, что после выдержки сплава при температуре, соответствующей твердо-жидкому состоянию, междендритная жидкость вытесняется из. объема образца жидким легкоплавким металлом под действием внешнего избыточного давления, !5 создаваемого инертным газом. По объему жидкости, вытесненной из образца в единицу времени, вычисляют коэффициент проницаемости К дендритного каркаса двухфазной эоны по известной 20 формуле Дарси ti), Однако указанный способ не позвоя ляет определить проницаемость двухфазной зоны непосредственно в ходе кристаллизации или плавления сплава, 25 так как в опыте происходит полное удаление жидкой составляющей из двухфазной зоны и проведение повторных измерений на этом же образце при данной или других температурах не пред- ЗО, ставляется возможным. Кроме того, точность определения K данным способом относительно невысока, во-первых вследствие того, что измерения проводят в условиях, когда вытесняющая жидкость вводится в дендритный каркас двухфазной зоны под давлением прибли" эительно 1 атм. и, во-вторых, иэ-эа проникновения в двухфазную зону чужеродного жидкого металла. Оба эти фактора могут существенно повлиять на структуру дендритного каркаса двух.фазной эоны сплава как за счет дефор" мации, так и растворения дендритных кристаллов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому являе гся способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной эоны сплава, основанный на измерении количества жидкой фазы, вытекающей в единицу времени из объема образца, находящегося в двухфазном твердо-жидком состоянии, под действием собственного веса. По этим данным также можно определить коэффициент проницаемости К,используя закон Дарси f2) .

Основным недостатком этого способа является невозможность определения коэффициента проницаемости в ес894487 тественных условиях кристаллизации или плавления сплава вследствие того, что при измерении происходит не-обратимое истечение жидкой фазы из междендритных пространств и проведение аналогичных опытов на этом же образце при других температурах,лежащих в интервале затвердевания,исключается.

Цель изобретения — сокращение времени и повышение точности определения путем обеспечения возможности измерения проницаемости двухфазной зоны непосредственно в ходе кристаллизации,или плавления сплава.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной эоны металлических сплавов, заключающемся в переводе сплава в двухфазное состояние и создании течения жидкой фазы через дендритный каркас, придают образцу форму тора и путем приложения к нему крутильных колебаний приводят в движение междендритную жидкость, после чего регистрируют изменение амплитуды колебаний образца во времени, по которому определяют коэффициент затухания и рассчитывают коэффициент проницаемости К по формуле e где,и — динамический коэффициент вязкости сплава, Н с/м

m — масса тора и подвески, кг, — масса сплава, кг, с — коэффициенты затухания свободных колебаний образца, находящегося в двухфазном и твердом состояниях соответственно, ц>> — собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, 1/с.

Физическая сущность предлагаемого способа измерения проницаемости заключается в том, что затухания свободных крутильных колебаний образца, выполненного в виде тора и подвешенного на упругой проволоке, зависят от трения жидкой фазы о дендритный каркас и внутреннего трения жидкости, которые определяют проницаемость двухфазной зоны сплава.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемый сплав в зависимости от его типа и температуры плавления помещают в стеклянную, керамическую или графическую трубку, имеющую форму тора. Диаметр тора составляет

80-100 мм, диаметр трубки 8-15 мм, т.е. отношение диаметров примерно равно 10, что определяется условиями эксперимента и теорией метода,описанной ниже. Тороидальная форма образца обеспечивает течение жидкости в замкнутом контуре двухфазной зоны, что полностью исключает негативное влияние свободных поверхностей на характер движения междендритной >кидкости. Образец прикрепляют к стержню расположенному по оси тора таким обУ разом, чтобы плоскость тора была перпендикулярна стержню. Стержень с образцом подвешивают на упругой проволоке 0,2-2 мм и помещают в специальную печь с регулируемым температурным режимом.

Сплав кристаллизуют (или плавят) с заданной скоростью и при фиксированной температуре, когда во всем объеме образца выделяется строго определенное конечное количество твердой фазы, образующей дендритный каркас, образец выводят из неподвижного состояния путем закручивания проволоки на угол У . Образец начинает совершать колебания, амплитуду которых замеряют. По затуханию свободных крутильных колебаний образца определяют коэффициент проницаемости К.Выражение для вычисления К получено в результате теоретического обоснования физических явлений, происходящих при осуществлении способа.

Свободные затухающие колебания твердой и жидкой составляющей двухфазной зоны сплава описываются системой дифференциальных уравнений

° > р =-ЯЧ -X(9 -ф )-с). где Д Дж — момент инерции твердой и жидкой фаэ, угол поворота относительно точки отсчета твердой и жидкой фаэ; коэффициент трения в воэ» духе, G — модуль упругости проволокир константа, определяющая геометрические и физические характеристики двухфазной зоны при данных условиях опыта, R — радиус тора, площадь поперечного сечения тора, — доля жидкой фазы, ц. - динамический коэффициент вязкости, К вЂ” коэффициент проницаемости °

Решение уравнения (1) ищем в виде

1 (2) 0 где А — начальная амплитуда колеTI1 g баний, ш — частота свободных колебаний, времяр

894487

F I тельцо аналогичным образом находят коэффициент затухания колебаний образца-в твердом состоянииФ и его о собственную частоту колебаний и о .

В данном случае Фо = 4,167 10

Юо= 7,05 (1/с), д = 8,567 10 >. Подставляя эти значения в (б), а также известные для данного сплава р, а, m и,м-, вычисляют коэффициент проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны при 275 С, К = 6,984 х.) х 10 м . Определяя таким образом К, можно получить полную картину об изменении проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны в интервале температур затвердевания при кристаллизации или плавлении исследуемого сплава.

КР х = ---------у---- (4)

2,и. (1 + -" — )

Я - плотность сплава, m — масса тора и подвески, )0

m — масса сплава.

В выражении (3) член 1-2 "х учио тывает изменение частоты колебаний за счет наличия жидкой фазы и трения образца в воздухе, а член о +

+ (w о -с "о) характеризует затухание и амплитудй колебаний твердого образца.

С учетом выражений (3), (4) решение записываем в виде д о ° о д г (шо(-2о"охи (+ (u< ><)õ)

О

Амплитуда колебаний изменяется по

= ь ехр(-(ю" i(шо-a )x)t)

7оо о о 25

Прологарифмировав данное выражение можно определить коэффициент затухания образца, находящегося в двухфазном состоянии

<„ = е„д (... ц,д „ ) .ВьАщ Ъ " ° "Ффи (у)

Подставляя в (5) выше написанное выражение для х, получаем формулу для определения коэффициента прони- цаемости К по результатам эксперимента

М(— ) (, а

Все входящие в (б) физические ве- . личины надежно измеримы, т.е. путем экспериментального определения частоты жд и коэффициентов затухания Ь и

Ф; замера p m и в и нахождения ф.из .таблиц, величина вычисляется достаточно точно.

Пример. Исследуемый сплав помещают в стеклянную тороидальную трубку (диаметр тора 8О мм, диаметр поперечного сечения трубки 8 мм) и располагают в специальной печи.После нагрева сплава выше температуры ! ликвидуса его медленно охлаждают до где,и.— температуры (например, 275о С) соот- 55 ветствующей двухфазному состоянию П1 сплава. После кратковременной выдерж- m ки сплава при данной температуре 6 M о""о производят замер амплитуды колебаний образца через определенные промежут- у ки времени. По экспериментальным зависимостям амплитуды or времени определяют коэффициент затухания ко-.: що .лебаний образца по наклону зависимости4>(t) в координатах 9llhmt.ПредвариПредлагаемый способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны металлических сплавов позволяет в пять и более раз по сравнению с известными ускорить процесс измерения К во всем температурном интервале при кристаллизации или плавлении сплава. При этом значительно повышается точность измерений путем обеспечения возможности проведения повторных измерений на этом же образце.

Формула изобретения

Способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны металлических сплавов, заключающийся в переводе сплава в двухфазное состояние и создании течения жидкой фазы через дендритный каркас, отличающийся тем, что, 40 с целью сокращения времени и повышения точности определения, придают образцу форму тора и путем приложения к нему крутильных колебаний приводят в движение междендритную жидкость, после чего регистрируют изменение амплитуды колебаний образца во времени, по которому определяют коэффициент затухания и рассчитывают коэффициент проницаемости К по формуле П жо — .собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, a g — коэффициент затухания колебаний образца, находящегося в твердом состоянии, динамический коэффициеь вязкости сплава, Н с/м -, масса тора и подвески,кг, масса сплава, кг, коэффициенты затухания свободных колебаний образца, находящегося в двухфазном и твердом состояниях соответственно,. собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, 1/с.

894487

Составитель О.Алексеева .

Редактор Н.Безродная Техред Е. Харитончик Корректор Н.Швыдкая

Заказ 11471/67 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ппп "патент", r. Ужгород, ул. проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Рivonka Т .5. Flemings И.С, Роге

Formation in Solidification.

"Transactions of the hletall Society

of 0!ИЕ", 1966,Ч236, 9 8, р. 1157 1165.

2. Вейник А.И. Расчет отливки.N., "Машиностроение", 1964, с. 150-163 (прототип) .