Автореферат: Разработка информационного обеспечения для компьютерного моделирования процессов формирования отливок из сплавов системы Al–Si–Mg

Установлено, что выбранные для анализа сплавы Al-Si-Mg, кристаллизующиеся с выделением - раствора и эвтектики, по особенностям их равновесной кристаллизации и получаемого в результате фазового состава можно разделить на четыре группы (рис.3): I - сплавы, которые кристаллизуются с выделением -раствора и двойной эвтектики е1 ( +); II - сплавы, которые кристаллизуются с выделением - раствора, двойной эвтектики е1 и тройной эвтектики Е1 (++Mg2Si); III - сплавы, структура которых состоит из -раствора и тройной эвтектики Е1 (++Mg2Si); IV - сплавы, содержащие -раствор, двойную эвтектику е2 (+ Mg2Si) и тройную эвтектику Е1 (++Mg2Si).

На основе расчета равновесной кристаллизации количественно установлены этапы выделения твердой фазы и соотношения долей структурных составляющих при изменении содержания магния. Получено уравнение линии, связывающей критические (граничные) точки изменения фазового состава двойной эвтектики (е1е2), которое имеет вид Mgэ*=0,5Si-0,425. Это же соотношение описывает множество сплавов III группы, практически не содержащих двойной эвтектики. Это уравнение представлено на рис.3 линией 3, разграничивающей сплавы I-II и IV групп. При Mg<0,5Si-0,425 происходит выделение двойной эвтектики е1 (+), в противном случае - е2 (+Mg2Si).

Рис. 4. Изменение соотношения различных структурных составляющих (-фазы m, двойной и тройной эвтектики) в зависимости от содержания магния при равновесной кристаллизации сплавов Al-7%Si-Mg

Установлена граница образования тройной эвтектики в исследованных сплавах, т.е. появления в структуре сплавов фазы Mg2Si:

Mg*т= 0,987+ 0,005Si,

Ориентировочно эта граница отвечает при Si=6-8% концентрации Mg*т 1%, выявляемому точкой излома на рис.4 (безотносительно к содержанию кремния). Кристаллизация сплавов, содержащих более 1 % Mg, завершается выделением тройной эвтектики (рис.4).

При сравнительном анализе равновесного и неравновесного хода кристаллизации (рис. 5) показано, что в тех исследованных сплавах, которые в равновесных условиях завершают кристаллизацию образованием двойной эвтектики e1-(+), в неравновесных условиях образуется тройная эвтектика Е1-(++Mg2Si), количество которой растет с повышением содержания кремния и магния. При неравновесной кристаллизации изменяется соотношение между количеством структурных составляющих при выделении твердой фазы, а также происходит смещение температуры солидуса до температуры выделения тройной эвтектики с соответствующим изменением температурного интервала затвердевания.

Рис. 5

Исследование кристаллизации сплавов системы Al-Si-Fe показывает, что примесь железа при содержании менее 0,18% вызывает вслед за выделением первичной -фазы образование двойной эвтектики (+), кристаллизация которой происходит с повышением содержания железа в расплаве и заканчивается выделением тройной эвтектики (с 0,36% Fe). При более высоком содержании железа в исходном сплаве формируется двойная эвтектика состава (+FeSiAl5) с завершением кристаллизации в тройной точке (Al -87,5%, Fe-0,36%, Si-12,2%).

Анализ тепловых характеристик процессов, происходящих в различных условиях кристаллизации сплавов системы Al-Si-Mg. Исследовано влияние кремния и магния на положение критических температур сплавов (температур ликвидуса и солидуса, выделения двойной и тройной эвтектики), величину температурного интервала и теплоты кристаллизации сплавов (рис. 6-7, табл.1).

Энтальпия многокомпонентного сплава в процессе его многофазной кристаллизации складывается из энтальпий фаз в системе на каждом отдельном этапе кристаллизации с учетом долей фаз, выделяющихся из расплава:

, (7)

Рис. 6. Зависимость Тинт от содержания магния и кремния в сплаве

где - атомная доля выделившейся из расплава фазы ; и - энтальпия твердой фазы и жидкости l соответственно; Ц - общее число фаз в системе на данном этапе кристаллизации

По изменению энтальпии находили теплоту кристаллизации Q(T), выделяющуюся при изменении температуры сплава от ликвидуса TL до температуры T:

(8)

Рис. 7. Этапы выделения теплоты кристаллизации различных структурных составляющих в зависимости от содержания Mg (при 7%Si).

На основе рассчитанной зависимости энтальпии от температуры и концентрации компонентов определяли значения теплоты кристаллизации Qкр и выделения отдельных структурных составляющих Q и Qэ. Вклад в общую теплоту кристаллизации сплава тепловых эффектов различных фазовых превращений определяли по соотношениям:

Q=Lm+Qф ; Qэ= QДэ +LэТ, (9)

где QДэ=LДэ mДэ+Qфэ - теплота кристаллизации двойной эвтектики; L, LДэ ,LэТ - скрытая теплота выделения -фазы, двойной и тройной эвтектики соответственно; Qф, Qфэ - физическая теплота охлаждения смеси жидкой фазы с -фазой или с двойной эвтектикой.

На основе найденных зависимостей энтальпии сплавов системы Al-Si-Mg по формулам (8-9) рассчитаны значения общей теплоты кристаллизации по этапам ее выделения (рис.7). Показано, что повышение содержания кремния и магния в составе сплава приводит к монотонному увеличению общей теплота кристаллизации Qкр. В табл.1 приведены полученные значения скрытой теплоты выделения структурных составляющих для системы Al-Si-Mg (в расчете на единицу их массы).

Таблица 1. Удельная скрытая теплота кристаллизации структурных составляющих системы Al-Si-Mg

Общая теплота кристаллизации сплава определяется на основе этих значений в зависимости от количества -фазы, двойной и тройной эвтектики. При равновесных условиях скрытая теплота кристаллизации (в расчете на единицу массы сплава) -фазы в зависимости от содержания кремния и магния изменяется в пределах 0-215 кДж/кг, двойной эвтектики (е1) - от 0 до 240 кДж/кг, двойной эвтектики (е2) - от 0 до 170 кДж/кг, тройной LэТ- от 0 до 255 кДж/кг.

В результате проведенных расчетов выявлена четкая зависимость тепловых характеристик сплавов при равновесной кристаллизации от положения на диаграмме состояния.

Влияние неравновесного характера кристаллизации на изучаемые теплофизические параметры и возможность выделения неравновесных фаз оценивается на основе учета полного или частичного подавления диффузионных процессов в твердой фазе.

В работе установлено, что изменение состава и количества выделяющих структурных составляющих при неравновесных условиях приводит к изменению количества выделяемой скрытой теплоты кристаллизации, в результате чего общая теплота кристаллизации сплавов при неравновесных условиях достигает 520 кДж/кг (при равновесных условиях - 495 кДж/кг) за счет уменьшения доли -фазы и двойной эвтектики и увеличения вклада теплоты кристаллизации тройной эвтектики.

С помощью численного моделирования процессов затвердевания проведено исследование объемных изменений, происходящих в сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое.

На основе термодинамического расчета доли твердой фазы и с учетом характера выделяющихся фаз при равновесной кристаллизации (главы 2, 4) получена формула для моделирования многофазной объемной усадки при затвердевании многокомпонентных сплавов системы Al-Si-Mg:

= + + . (10)

где , - средний температурный коэффициент объемной усадки жидкой фазы и i-ой твердой фазы, состав которых изменяется в процессе затвердевания, mЖ - количество жидкой фазы в интервале температур Тл-Тс, -количество i-ой твердой фазы, выделяющейся в процессе кристаллизации в температурном интервале ее образования, - объемная усадка при фазовом превращении. Индекс i принимает значения от 1 до n, где n - общее количество выделяющихся фаз различного состава, отличающихся величиной ,и температурным интервалом выделения. Для системы Al-Si-Mg в сплавах I группы i=(, e1); II-i=(, e1, E1), III- i=(, E1), IV-i=(, e2, E1).

Таблица 2. Коэффициенты объемной усадки фаз и структурных составляющих системы Al-Si-Mg

Значения коэффициентов усадки, приведенные в табл.2, получены на основе обобщения экспериментальных данных, приводимых в различных источниках, и использованы для моделирования температурного хода объемных изменений сплавов и оценки величины усадки на различных этапах процесса затвердевания (табл. 3).

Рис. 8. Изменения объемной усадки в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии в зависимости от фазового состава

Рис. 9. Объемные изменения при затвердевании сплавов Al-Si-Mg в зависимости от изменения содержания кремния

С учетом изменения количества жидкой и твердой фазы, полученного из термодинамического расчета, на основе соотношения (10) установлено, что относительная объемная усадка остаточной жидкой фазы и образующейся твердой фазы зависит от темпа выделения твердой фазы и температурного интервала процесса усадки соответствующей структурной составляющей. По этой причине обычно принимаемый коэффициент Ѕ у первого и второго члена в формуле (10) не является корректным при точных расчетах.

На рис. 8 представлена изменение в зависимости от температуры объемной усадки сплава Al-7%Si-0,5%Mg, включающей объемную усадку при затвердевании в виде суммы усадки отдельных структурных составляющих: - усадки -раствора и - усадки двойной эвтектики е1, ход которых определяется темпом выделения соответствующей твердой фазы, вследствие чего объемные изменения в сплаве имеют немонотонный характер.

При оценке влияния содержания компонентов в сплаве на величину объемной усадки при затвердевании получены зависимости (рис.9), свидетельствующие о том, что для сплавов, содержащих в своем составе различные структурные составляющие (определяются содержанием кремния и магния), общая усадка складывается из усадки отдельных структурных составляющих и их вклад зависит от величины соответствующих температурных интервалов фазовых превращений и количества образующихся фаз (рис.4,6). При увеличении содержания кремния и магния в сплаве происходит изменение доли -раствора, двойной и тройной эвтектики ее вклада в общую усадку.

Таблица 3. Объемная усадка сплавов Al -7%Si-Mg

Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными по различным литературным источникам (рис.9) указывает на то, что предложенная методика дает результаты, удовлетворительно согласующиеся с практикой, и может быть эффективно использована при разработке литейной технологии.

Заключение

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе термодинамической модели для системы литейных сплавов Al-Si-Mg получены параметры сплавов, необходимые для технологических расчетов - величина температурного и концентрационного интервала затвердевания, рассчитан фрагмент поверхности ликвидуса, ход и темп кристаллизации, коэффициенты распределения элементов в зависимости от температуры и состава. Исследование хода равновесной кристаллизации позволило разделить исследованные сплавы по типу формирующейся структуры на четыре группы, отличающиеся по характеру выделяющихся фаз на последовательных этапах кристаллизации.

2. На основе энтальпийного анализа кристаллизации сплавов системы Al-Si-Mg установлены количественные значения и немонотонный характер влияния кремния и магния на теплоту кристаллизации силуминов в зависимости от положения сплава на диаграмме состояния в соответствии с изменением температурного интервала затвердевания, который определяет величину вклада физической теплоты, и долей структурных составляющих, определяющих величину вклада скрытой теплоты кристаллизации.

3. При неравновесной кристаллизации, позволяющей получить наиболее адекватное отображения реального процесса кристаллизации, происходит изменение количественного соотношения структурных составляющих, смещение температуры солидуса и, соответственно, изменение температурного интервала кристаллизации, вследствие чего изменяется соотношение компонентов выделяющейся теплоты кристаллизации и величина объемной усадки при затвердевании.

4. С использованием результатов моделирования многофазной кристаллизации исследуемых сплавов установлены количественные значения объемной усадки при затвердевании в зависимости от положения сплава на диаграмме состояния в соответствии с изменением температурного интервала кристаллизации, количества выделяющихся фаз и природы каждой фазы, определяющей усадку фазового перехода.

5. Результаты работы обосновывают необходимость и эффективность применения аппарата термодинамического моделирования и разработанных программных средств для информационного обеспечения моделей САПР ЛТ надежными данными о свойствах литейных сплавов с целью получения результатов моделирования, наиболее адекватно отражающих реальное поведение литого металла.