Способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны металлических сплавов Советский патент 1981 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к контрольно-иэмерительной технике и может най ти применение для изучения течения междендритной жидкости в двухфазной зоне при кристаллизации металлических сплавов. Известен способ определения прони цаемости дендритного каркаса двухфазной зоны, заключающийся в том, что после выдержки сплава при температуре, соответствующей твердо-жидкому состоянию, междендритная жидкость вытесняется из объема образца жидким легкоплавким металлом под дей ствием внешнего избыточного давления создаваемого инертным газом. По объе му жидкости, вытесненной из образца в единицу времени, вычисляют коэффициент проницаемости К дендритного каркаса двухфазной зоны по известной формуле Дарси 1. Однако указанный способ не позвоя ляет определить проницаемость двухфазной зоны непосредственно в ходе кристаллизации или плавления сплава, так как в опыте происходит полное удаление жидкой составляющей из двухфазной зоны и проведение повторных измерений на этом же образце при дан ной или других температурах не представляется возможным. Кроме того, точность определения К данным способом относительно невысока, во-первых вследствие того, что измерения проводят в условиях, когда вытесняющая жидкость вводится в-дендритный каркас двухфазной зоны под давлением приблизительно 1 атм. и, во-вторых, из-за проникновения в двухфазную зону чужеродного жидкого металла. Оба эти фактора могут существенно повлиять на структуру дендритного каркаса двухфазной зоны сплава как за счет деформации, так и растворения дендритных кристешлов. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения проницаемости дендритного каркаса двухфазной зоны 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 закЬн Дарси 2 . Основным недостатком этого способа является невозможность определения коэффициента проницаемости в ееТйственных УСЛОВИЯХ кристаллизации или плавления сплава вследствие того, что при измерении происходит не обратимое истечение жидкой фазы из междендритных пространств и проведе ние аналогичных опытов на этом же образце при других температурах,лежащих в интервале затвердевания,исключается, Цейь изобретения - сокращение времени иповышение точности опреде ления путем обеспечения возможности измерения проницаемости двухфазной зоны непосредственно в ходе кристал лизации ,или плавления сплава. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения проницаемости дендритного каркаса двух фазной зоны 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 крутильны колебаний приводят в движение междендритную жидкость, после чего рег стрируют изменение амплитуды колеба ний образца во времени, по которому определяют коэффициент затухания и рассчитывают коэффициент проницаемо ти К по формуле (i±L.f т, t 1 1 I динамический коэффициент вязкости сплава, Н , m - масса тора и подвески, кг ип - масса сплава, кг, А W с/ - коэффициенты затухания св бодных колебаний образца находящегося в двухфазном и твердом состояниях соот ветственно, Шд- собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, 1/с, Физическая сущность предлагаемо го 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 тре ни.я жидкости, которые определяют пр ницаемость 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 условия ми эксперимента и теорией-метода,оп санной ниже. Тороидальная форма об разца обеспечивает течение жидкост в замкнутом контуре двухфазной зоны что полностью исключает негативное влияние свободных поверхностей на характер движения междендритной жидкости. Образец прикрепляют к стержню, расположенному по оси тора таким образом, 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 вьщеляется строго определенное конечное количество твердой фазы, образующей дендритный каркас , образец выводят из неподвижного состояния путем закручивания проволоки на угол Ч . 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 0,Cf, (V4:,) Л(, где Отр.« - момент инерции твердой и жидкой фаз, ; т угол поворота относительIно точки отсчета твердой и жидкой фаз; d, - коэффициент трения в воз-. духе, G - модуль упругости проволоIM FSVс----- -- константа, определяющая геометрические и физические характеристики двухфазной зоны при данных условиях опыта, R - радиус тора, F - площадь поперечного сечения тора, S - доля жидкой фазы, - динамический коэффициент вязкости, К - коэффициент проницаемости. РеШение уравнения (1) ищем s вигде А, начальная амплитуда коле баний, ш - частота свободных колебаний, t - время, и4-%0-2.) ( ( - .собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, (fQ - коэффициент затухания колебаний образца, находящегося в твердом состояНИИ, -2 -тК-Ж-у-- (4) Р - плотность сплава, т - масса тора и подвески, m - масса сплава. В выражении (3) член l-2t.Jx учитывает изменение частоты колебаний за счет наличия жидкой фазы и трени образца в воздухе, а член о + + (u) Q ) характеризует затухание амплитуды колебаний твердого образца. С учетом выражений (3), (4) реше ние записываем в виде .Амплитуда колебаний изменяется п закону г г л f /1 Л чл - .,4(u) Прологарифмировав данное выражен можно определить коэффициент затуха ния образца, находящегося в двухфаз ном состоянии ,.( . iSnAwi ., / ft ni ) Подставляя в (5) вшпе написанное выражение для х, получаем формулу для определения коэффициента проницаемости К по результатам экспериме та. . . . /Д-Л Ч ) . (6 Все входящие в (6) физические неличины надежно измеримы, т,е-. путем экспериментального определения часто ты цуо и коэффициентов затухания л и ( замера р , m и m и нахождения из.таблиц, величина вычисляется достаточно точно, Пр и м е р. Исследуемый сплав помещают в стеклянную тороидальную трубку (диаметр тора 80- им, диамйтр поперечного сечения трубки 8 мм) и располагают в специальной печи.Пос ле нагрева сплава вЕЛяе температуры ликвидуса его медленно охлаждают до температуры (например, 275°С) соответствующей двухфазному состоянию сплава. После кратковременной В1адерж ки сплава при данной температуре производят замер амплитуды колебаний образца через определенные промежут ки времени. По экспериментальным зависимостям амплитуды от времени определяют коэффициент затухания колебаний образца по наклону зависимос ти ft(t) в координат ах епД 1Л1редвар ительдо аналогичным образом находят коэффициент затухания колебаний образ ца- в твердом состоянии и его собственную частоту колебаний . В данном случае 4,167-10, 0 7,05 (1/с), а 8,567-10 5. Подставляя эти значения в (6), а также известные для данного сплава/ , т , т к /it, f вычисляет коэффициент проницаемости дендритного каркаса двухфазно зоны при 275°С, К 6,984 х:) X 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. Предлагаемый 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, с целью сокращения времени и повышения точности определения, придают образцу форму тора и путем приложе ния 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 оэффициент проницаемости К по формуе,. .2X4 fi-rf.d де /М- - динамический коэффициеь вязкости сплава, Н-с/м-, т - масса тора и подвески,кг, m - масса сплава, кг, д и rfj, - коэффициенты затухания свободных колебаний образца, находящегося в двухфазном и твердом содтояниях соответственно, Wg- собственная частота колебаний образца в твердом состоянии, 1/с.

78944878

Источники информации,of OIME, 1966,V236, № 8 р 1157принятые во внимание при экспертизе 1165.° 1. Ptvonka T.S. Flemings М.С. Роге 2. Вейник А.И. Расчет отливки М

Formation п Solidification -.Машиностроение, 1964, с Transactions of the Metall Society (прототипЬ