Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов

В настоящей обзорной работе изложены, сравнены и проанализированы современные методики и математические процедуры деривативного (производного) термического анализа (Д-ТА), в котором используются так называемые одноточечный Ньютоновский термоанализ (НТА) и многоточечный термоанализ Фурье (ФТА) для ра...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Захарченко, Э.В., Жуков, Л.Ф., Сиренко, Е.А., Писаренко, В.Г., Гончаров, А.Л.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2013
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140524
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов / Э.В. Захарченко, Л.Ф. Жуков, Е.А. Сиренко, В.Г. Писаренко, А.Л. Гончаров // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 42-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. .

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140524
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1405242025-02-09T20:08:08Z Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов Захарченко, Э.В. Жуков, Л.Ф. Сиренко, Е.А. Писаренко, В.Г. Гончаров, А.Л. Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья В настоящей обзорной работе изложены, сравнены и проанализированы современные методики и математические процедуры деривативного (производного) термического анализа (Д-ТА), в котором используются так называемые одноточечный Ньютоновский термоанализ (НТА) и многоточечный термоанализ Фурье (ФТА) для расчета латентной затвердевания, кинетики выделения твердой фазы, характеристик макро- и микроструктуры, а также химического состава и некоторых свойств литых сплавов. Приведены данные сравнения надежности методик НТА и ФТА. В цій оглядовій роботі докладно викладено, порівняно та проаналізовано сучасні методики та математичні процедури деривативного (похідного) термічного аналізу (Д-ТА), в якому використовуються так звані одноточковий Ньютонівський термоаналіз (НТА) та багатоточковий термоаналіз Фур’є (ФТА) для вивчення кінетики затвердіння, характеристик макро- та мікроструктури, а також хімічного складу і властивостей литих сплавів. The purpose of this review work is to offered in details compared and analyzed of the modern methods and the mathematical procedures of Derivative Thermal Analysis (D-TA) by using so called one-point the Newtonian thermal analysis (NTA) and a multi-point method the Fourier’s thermal analysis (FTA) for an investigation of the solidification kinetics, the structural characteristics, a chemical composition and a properties of cast alloys. Comparison of Newtonian and Fourier Thermal Analysis Techniques. 2013 Article Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов / Э.В. Захарченко, Л.Ф. Жуков, Е.А. Сиренко, В.Г. Писаренко, А.Л. Гончаров // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 42-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. . 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140524 621.745.5.06/07:536.5 ru Процессы литья application/pdf Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
spellingShingle	Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Захарченко, Э.В. Жуков, Л.Ф. Сиренко, Е.А. Писаренко, В.Г. Гончаров, А.Л. Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов Процессы литья
description	В настоящей обзорной работе изложены, сравнены и проанализированы современные методики и математические процедуры деривативного (производного) термического анализа (Д-ТА), в котором используются так называемые одноточечный Ньютоновский термоанализ (НТА) и многоточечный термоанализ Фурье (ФТА) для расчета латентной затвердевания, кинетики выделения твердой фазы, характеристик макро- и микроструктуры, а также химического состава и некоторых свойств литых сплавов. Приведены данные сравнения надежности методик НТА и ФТА.
format	Article
author	Захарченко, Э.В. Жуков, Л.Ф. Сиренко, Е.А. Писаренко, В.Г. Гончаров, А.Л.
author_facet	Захарченко, Э.В. Жуков, Л.Ф. Сиренко, Е.А. Писаренко, В.Г. Гончаров, А.Л.
author_sort	Захарченко, Э.В.
title	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
title_short	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
title_full	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
title_fullStr	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
title_full_unstemmed	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
title_sort	современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140524
citation_txt	Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов / Э.В. Захарченко, Л.Ф. Жуков, Е.А. Сиренко, В.Г. Писаренко, А.Л. Гончаров // Процессы литья. — 2013. — № 3. — С. 42-50. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. .
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT zaharčenkoév sovremennyemetodikiderivativnogotermičeskogoanalizadlâissledovaniâprocessovzatverdevaniâlityhsplavov AT žukovlf sovremennyemetodikiderivativnogotermičeskogoanalizadlâissledovaniâprocessovzatverdevaniâlityhsplavov AT sirenkoea sovremennyemetodikiderivativnogotermičeskogoanalizadlâissledovaniâprocessovzatverdevaniâlityhsplavov AT pisarenkovg sovremennyemetodikiderivativnogotermičeskogoanalizadlâissledovaniâprocessovzatverdevaniâlityhsplavov AT gončaroval sovremennyemetodikiderivativnogotermičeskogoanalizadlâissledovaniâprocessovzatverdevaniâlityhsplavov
first_indexed	2025-11-30T09:49:26Z
last_indexed	2025-11-30T09:49:26Z
_version_	1850208331803656192
fulltext	42 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья УДК 621.745.5.06/07:536.5 Э. В. Захарченко, Л. Ф. Жуков, Е. А. Сиренко, В. Г. Писаренко, А. Л. Гончаров Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев Институт кибернетики им. В. М. Глушкова НАН Украины, Киев СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИКИ ДЕРИВАТИВНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЛИТЫХ СПЛАВОВ В настоящей обзорной работе изложены, сравнены и проанализированы современные ме- тодики и математические процедуры деривативного (производного) термического анализа (Д-ТА), в котором используются так называемые одноточечный Ньютоновский термоанализ (НТА) и многоточечный термоанализ Фурье (ФТА) для расчета латентной затвердевания, кинетики выделения твердой фазы, характеристик макро- и микроструктуры, а также хими- ческого состава и некоторых свойств литых сплавов. Приведены данные сравнения надеж- ности методик НТА и ФТА. Ключевые слова: деривативный термический анализ, Фурье и Ньютоновский термические анализы, анализ термических кривых охлаждения, затвердевание литых сплавов, латентная теплота затвердевания, кинетика выделения твердой фазы при затвердевании. В цій оглядовій роботі докладно викладено, порівняно та проаналізовано сучасні методики та математичні процедури деривативного (похідного) термічного аналізу (Д-ТА), в якому ви- користовуються так звані одноточковий Ньютонівський термоаналіз (НТА) та багатоточковий термоаналіз Фур’є (ФТА) для вивчення кінетики затвердіння, характеристик макро- та мікро- структури, а також хімічного складу і властивостей литих сплавів. Ключові слова: деривативний термічний аналіз, Фур’є термічний аналіз, Ньютонівський термічний аналіз, аналіз термічних кривих охолодження, тверднення литих сплавів, латентна теплота тверднення, кінетика виділення твердої фази під час твердіння. The purpose of this review work is to offered in details compared and analyzed of the modern methods and the mathematical procedures of Derivative Thermal Analysis (D-TA) by using so called one-point the Newtonian thermal analysis (NTA) and a multi-point method the Fourier’s thermal analysis (FTA) for an investigation of the solidification kinetics, the structural characteristics, a chemical composition and a properties of cast alloys. Comparison of Newtonian and Fourier Thermal Analysis Techniques. Keywords: derivative thermal analysis, Fourier’s thermal analysis, Newtonian thermal analysis, cooling curve analysis, solidification of cast alloys, latent heat of solidification, solid fraction during solidification. Введение Деривативный термический анализ (Д-ТА), основанный на классических законах теплообмена Ньютона и Фурье, используется в практике литейного производства и в научных исследованиях с конца 60-х годов прошлого столетия. Д-ТА характеризуется доступностью, быстродействием, экономичностью, возможностью прогноза структуры, некоторых технологических свойств литого сплава до заливки литейных форм. В названии «деривативный термический анализ » (Derivative Thermal Analysis) терминоэле- мент «деривативный» означает «производный» ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 43 Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Однако несовершенство существующих методик Д-ТА приводит к случаям, ког- да литейные цехи испытывают серьезные неудачи при попытке применить Д-ТА. Так, обстоятельное исследование консистентности результатов Д-ТА, выполнен- ное Силезским технологическим институтом (Польша) в условиях производства чугунных отливок для автомобилестроения, показало, что при использовании Д-ТА требованиям нормативов в этом конкретном случае отвечают только 50 % результатов по углероду и кремнию, 13,8 % – временному сопротивлению разрыву Rm и 6 % – по твердости НВ [1]. Поэтому разработка надежных адекватных методик Д-ТА остается весьма актуальной задачей. Для варианта Д-ТА на основе закона Ньютона укоренилось название «Ньюто- новского термоанализа» (НТА). В НТА обычно используется одна термопара, спай которой размещается в геометрическом центре по оси симметрии образца, а в многоточечном анализе на основе закона теплопроводности Фурье (для которого принято название «термоанализ Фурье» (ФТА)), – обычно две термопары (в исследо- вательских целях – до 6-ти термопар в цилиндрических образцах диаметром 40 мм). Как в НТА, так и в ФТА регистрируются не только термические кривые охлаждения, но и их первые и вторые производные. Термоанализ выполняется с использованием образцов круглого или квадратного поперечного сечения, отношением высоты к диаметру от 1 до 1,5, с применением наливной или погружной пробницы [2], аналого-цифрового преобразователя и компьютера с соответствующей программой. Ньютоновский термический анализ В НТА постулируются следующие положения [3]: до начала затвердевания отсутству- ют значительные термические градиенты; критерий Био, определяющий относительную интенсивность охлаждения отливки, Bi < 0,1 ( Bi = (α∞ /λ) X), где α∞ – коэффициент те- плоотдачи поверхности отливки, Вт/(м2 . град), λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м . град), X – половина толщины плоской отливки или радиус цилиндра; отливка охлаждается как единое целое. Однако практически в НТА допускается некоторый перепад температур по сечению отливки (до 6 oC для алюминиевых сплавов [4]). В старых методиках НТА как обязательное условие рекомендуется подход на основе так называемой «нулевой линии» ZN, представляющей эволюцию темпа ох- лаждения сплава во времени (τ) при условии отсутствия латентной теплоты затвер- девания. С помощью экстраполяции линию ZN представляют в виде температурной кривой типа T = -A . exp (-Bτ) между началом и концом затвердевания, а константы А и В определяют из данных кривой охлаждения [5]. Однако авторы [5] преувеличивают отрицательную роль фактора наличия градиентов температуры и предполагают, что в силу этой причины метод НТА без использования нулевой линии может искажать истинную картину кинетики выделения твердой фазы. Новые методики НТА без ис- пользования линии ZN [6, 7] противоречат этому предположению. Методики НТА без использования нулевой линии ZN – По упрощенной методике [6] темп теплоотвода зависит только от термического сопротивления на границе образца. Уравнение теплового баланса ( ) ,L S T TT fs C L M ∞ ∞ −∂ ∂ = = − α ∂τ ∂τ (1) где CL – объемная теплоемкость жидкости, Дж/(м3.оС); /T∂ ∂τ – темп охлаждения, оС/с; LS – объемная латентная теплота затвердевания, Дж/м3; ∞α – переменный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности образца, Вт/(м2 . оС . с); /fs∂ ∂τ – темп формирования твердой фазы, 1/с; Т – мгновенная температура образца, оС; T∞ – температура окружающей среды, оС; M = V/F – так называемый модуль образца, м (где V – объем, F – поверхность теплоотдачи). 44 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья В методике [6] переменный коэффициент теплоотдачи ∞α находят посредством цифровой обработки экспериментальных кривых охлаждения с использованием соотношения , ( )L M T C T T∞ ∞ ∂ α = − − ∂τ (2) ∞α задают в виде функции времени для каждой пробы металла, которую опреде- ляют по усредненным данным и затем представляют в виде графика и формулы. На примере чугунов одинакового состава, но имеющих разный механизм затвер- девания и микроструктуру, в работе [6] показано, что форма кривой /fs∂ ∂τ (рис. 1) резко изменяется после графитсфероидизирующей обработки исходного чугуна, что связано с изменением механизма затвердевания и позволяет определить тип полученного чугуна. – Уравнение теплового баланса согласно методике [7] mfSCSdT + mfLCLdT - mLS dfS = - ∞α F (T - T∞ ) dα , (3) где m – масса сплава, кг; fS – массовая доля твердой фазы, кг/кг; fL – массовая доля жидкой фазы, кг/кг; СS – теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг . оС); CL – теплоемкость жидкой фазы, Дж/(кг . оС); LS – изотермическая латентная теплота затверде- вания, Дж/кг; ∞α – постоянный коэффициент теплоотдачи на поверхности образца, Вт/(м2 . оС . с); F – площадь теплоотдающей поверхности пробницы, м2; Т – мгновенная температура затвердевающего металла, оС; T∞ – температура окру- жающей среды, оС; α – время, с. Новизна методики состоит в том, что уравнение (3) преобразовано в виде (1 ) ,s s L s s s m L mC mC d f f d T f d T F F F∞ ∞ ∞       = + −     α α α      S S S S S (4) и введены три новые переменные ;Ls mL C F∞ = αS S (5) Рис. 1. Экспериментальная кривая охлаждения (Т) и кинетика выделения твердой фазы при затвердевании (dfs/dτ), соответствующие НТА: а – ЧШГ; б – ЧПГ [6] Те м п е р ат ур а, о С 1300 1100 900 Те м п е р ат ур а, о С 1300 1100 900 0,02 0,01 0 d fs /d t ( s-1 ) d fs /d t ( s-1 ) 0,02 0,01 0 dfs/dτ dfs/dτ 0 100 200 0 100 200 Время, с Время, с а б Т Т ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 45 Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья ;s s mC g F∞ = αS S (6) ,L L mC g F∞ = α (7) где переменные gS и gL – функции температуры; подстановка CLS , gS и gL в уравнение (4) дает (1 ) ( ) .L s s s s Ls C df f g dT f g dT T T d∞= + − + − τ SS S S S (8) После интегрирования по схеме Эйлера в явном виде получают 1 1 1 1 1 1 1 [ ( ) (1 ) ( ) ( ) ( )] , i i i i s s LsLs i i i i i i f f f g T T f g T T s C s s T T − − − ∞ − − − = + − + − − − − − τ − τ S SSS S S S S S S i-1 i-1 i-1i-1 i-1 (9) где надстрочные индексы представляют численное интегрирование. Для полностью жидкого образца уравнение (8) дает соотношение [ln( )]1 . Ls d T T g d ∞− = τ S (10) Правая часть уравнения (10) рассчитывается по экспериментальной кривой ох- лаждения. Для определения gS учитывается температура ниже солидуса. Перемен- ные gS и gL подгоняются как константы либо как функции температуры. Переменная CLS может быть представлена как константа, которая вынуждает fS быть всегда ниже солидуса. Для этого используется итерация: принимают начальную величину CLS ; с помощью уравнения (9) определяют долю твердой фазы; в процессе итерации ( 1 ,max i i L L ss s C C f−= SS S ) до тех пор, пока fS, max = 1 (достаточно трех итераций). Методика [7] апробирована на алюминиевых сплавах. Ее авторы сравнили ме- тодики НТА и ФТА по показателю кинетики выделения твердой фазы при затвер- девании сплавов одинакового состава. Оказалось, что оба метода во всех случаях дают практически одинаковые результаты (различия не превышают нескольких процентов), что противоречит данным работы [5] о сильном расхождении кинетики затвердевания согласно НТА и ФТА. Ограничением методики [7], как впрочем и всех остальных известных методик НТА и ФТА, служит то, что деривативный термоанализ в его нынешнем состоянии пока не позволяет разделить процесс одновременного выделения разнородных фаз при затвердевании. Заметим, что концепция нулевой линии вообще исключает возможность анализа одновременного формирования нескольких различных фаз при затвердевании. В целом методику [7] можно отнести к числу наиболее перспективных новых разработок в области Д-ТА. Методика НТА с использованием нулевой линии [8] Уравнение мгновенного теплового потока QS (Вт/м3), выделяющегося при за- твердевании 46 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья , , ( ).ex s L s L s N QT T Q C C Z M ∂ ∂ = − = − ∂τ ∂τS S S (11) Здесь подстрочные индексы L и S означают соответственно жидкое и твердое состояние; Qex – тепловой поток из расплава в окружающую литейную форму, Вт/м3; М – модуль отливки, м; ZN – нулевая линия. ZN = ZL (1 – fS) + ZS fS, (12) где ( ) ; ( ) .L L s s T T Z Z ∂ ∂ = = ∂τ ∂τS S CL, S = ρL CL (1 – fS) + ρS CS fS, (13) где ρL и ρS – плотность жидкого и твердого сплавов, кг/м3; CL и CS – теплоемкость жидкого и твердого сплавов соответственно, Дж/(кг . град); fS – массовая доля твердой фазы, кг/кг. В сплавах, состоящих из первичной фазы (fpp) и эвтектики (feu), доля фаз опре- деляется по следующим соотношениям: , 1 ( ) ,se pp L s Nss s dT f C Z d L d τ τ= − τ τ∫ τSE τSS S (14) feu = 1 – fpp. (15) Здесь LS – латентная теплота затвердевания, Дж/м3. , ( ) ,fs s L s Nss dT L C Z d d τ τ= − τ τ∫τSS τfS SS . (16) Расчет доли твердой фазы , 1 ( ) ,se pp L s Nss s dT f C Z d L d τ τ= − τ τ∫S S SτSS τ . (17) В уравнениях (14)-(17) τSS – время начала затвердевания, с; τfS – время конца затвердевания, с. Поскольку доля твердой фазы fS неизвестна в начале цифровой обработки кривой охлаждения, то принимают линейный закон изменения между τSS(fS = 0) и τfS (fS = 1). Затем выполняют итерацию до тех пор, пока не будет достигнута расчетная величина латентной теплоты LS . Относительная погрешность определения объемной доли первичной фазы на примере сплава Pb-71,5 % Sn составила (в %) 4,5 (по данным количественного металлографического анализа – 2,2); эвтектической фазы – 4,1 (металлографиче- ский анализ – 2,1); в сплаве Pb-88 % Sn – соответственно 2,0 (металлографический анализ – 1,5) и 9,3 (металлографический анализ – 7,9). Как видим, точность коли- чественного определения структурных составляющих с использованием нулевой линии достаточна для практического с использования изложенной методики НТА. Однако методика [8] хотя и имеет некоторый потенциал, но по данным ее авторов не обеспечивает консистентность результатов. ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 47 Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья Термический анализ Фурье Методика ФТА излагается ниже на основе работы [9]. Уравнение теплового ба- ланса имеет следующий вид: 2 , ,s L s s fT C K T L ∂∂ = ∇ + ∂τ ∂τS S S (18) где 2T∇ – оператор Лапласа (температурный Лапласиан по терминологии [5]), оС/ см2. Объемный тепловой поток QS, обусловленный выделением латентной теплоты затвердевания, равен 2 , , ф( ) ( ).s L s L s T T Q C T C Z ∂ ∂ = − λ∇ = − ∂τ ∂τS S Sα (19) Здесь: температурный Лапласиан 2 2 1 2 2 2 1 4( ) , T T T R R − ∇ = − (20) где Т1 и Т2 – показания двух термопар, размещенных на расстоянии R1 и R2 от оси симметрии; α = К/CL, S – температуропроводность сплава в состоянии жидкотвердой смеси, м2/с; Zф – нулевая кривая методики ФTA, заданная температурным Лапла- сианом: Zф = α 2T∇ , 2 / ; T T∂ ∂ τ α = ∇ ⋅ T (21) α = αL(1 – fS) + αS . fS , (22) где αL и αS – соответственно температуропроводность жидкой и твердой фаз. Теплоемкость жидкотвердой смеси CL, S = CL, S(1 – fS) + CL, S . fS . (23) Мгновенное значение доли твердой фазы fS в момент времени τ равно 1 ,s sss s f Q d L τ τ= τ∫S S S τ τSS (24) где τSS – время начала затвердевания. Объемная латентная теплота затвердевания равна , Es s sss L Q dτ τ= τ∫S τES τSS S (25) где τES – время конца затвердевания. Для расчета мгновенных значений Zф , QS , LS и fS как функций времени выполняется 48 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья процедура итерации. Для выполнения итерации принимают линейную зависимость доли твердой фазы от времени начала и конца затвердевания, а уравнения (22)-(25) используются для расчета мгновенных значений Zф , QS , LS и fS . Процедура итерации продолжается до достижения сходимости. Единственным параметром, который не может быть получен посредством цифровой обработки экспериментальных кривых охлаждения, служит объемная теплоемкость системы в период затвердевания. Для этого приходится использовать литературные данные. Рассмотренная методика ФТА апробирована ее авторами на сплаве Al-Si (А356), в том числе в монолитном состоянии сплава и после обработки микрочастицами SiC. В числе установленных новых эффектов обработки упрочняющими частицами SiC обнаружены уменьшение латентной теплоты затвердевания, изменение микро- структуры и морфологии первичной дендритной фазы и эвтектики. Методика ФТА успешно испытана также на сером эвтектическом чугуне [5]. Авторы работы [5] сравнили данные ФТА и НТА и заключили, что оба метода обе- спечивают корректные результаты, но НТА дает только усредненную информацию по образцу в целом, а ФТА позволяет оценить локальную кинетику. В частности, оба метода дали одинаковую величину латентной теплоты затвердевания для рядового серого чугуна с пластинчатым графитом: НТА – 2090, ФТА – 2042 Дж/см3. В работе [10] сравнили точность и надежность методик НТА и ФТА, использу- ющих концепцию нулевой линии, для расчета латентной теплоты затвердевания (L, Дж/г) и доли твердой фазы (fS, г/г) при эвтектической кристаллизации бинарного сплава Al-7 % Si. Латентная теплота рассчитана по формуле , ,L sL C P= S Дж/г , (26) где СL, sS – средняя удельная теплоемкость сплава в интервале затвердевания, Р – площадь между первой производной и нулевой линией (ZN и Zф). На рис. 2 для сравнения представлены нулевые линии ZN и Zф одного из опытов [10]. Опыты выполнены при скорости охлаждения жидкого сплава 0,55 град/с с двумя типами пробниц: ультралегкой пробницы, теплоизолированной сверху и снизу, из нержавеющей стали массой 2,5±0,2 г при массе образца 300±10 г (соотношение 0,5 0,3 0,1 -0,1 -0,3 -0,5 -0,7 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Температура, оС d Т /d τ н ул е ва я кр и ва я Рис. 2. Сравнения нулевых кривых по методикам Ньютона и Фурье [10] ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) 49 Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья масс образца и пробницы 120:1) и высокочувствительных хромель-алюмелевых термопар; относительно толстостенной графитной пробницы массой 65 г при соотношении масс образца и пробницы 1:1. В качестве эталонного метода экспе- риментального определения L использовали дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC). Результаты представлены в таблице. Сравнение результатов расчета L и f S по методикам Ньютона и Фурье [10] Методика Латентная теплота L, Дж/г Относительная массовая доля твердой фазы fS при эвтектической кристаллизации, г/г ультралегкая стальная пробница массивная графитовая про- бница НТА (расчет) 436 172 0,43 ФТА (расчет) 470 394 0,41 DSC (расчет) 432 432 0,46 То, что методика НТА занижает вдвое расчетную величину L при использовании массивной графитовой пробницы вызывает сомнения ввиду малого числа опытов и отсутствия надлежащего теплофизического анализа, охлаждающейся системы образец-пробница. Выводы •Современные методики деривативного термического анализа Д-ТА в целом пригодны для исследования процессов затвердевания и прогнозирования структуры и некоторых свойств литых сплавов, но требуют доработки, уточнения и проверки в каждом конкретном случае промышленного производства фасонных отливок из черных и цветных сплавов. •НТА и ФТА позволяют одинаково точно рассчитывать латентную теплоту за- твердевания и кинетику выделения твердой фазы в случае тонкостенных стальных пробниц, но ФТА менее чувствителен к массе и материалу пробниц. •К числу наиболее перспективных направлений развития Д-ТА (как НТА так и ФТА) относится разработка новых методик, в которых не используется концепция «нулевой линии», а отсутствие последней компенсируется специальной математи- ческой обработкой термической кривой охлаждения. 1. Binczyk F. An Assesment of the Derivative Thermal Analysis of Grey Cast Iron // Archives of Foundry Engineering. – 2007. – Vol. 7, № 3. – P. 21-24. 2. Current Situation and Development of Thermal Analysis Technology and Sample Cup / Li Chen, Li Dayong, SHI Dequan and at. el. // The 6-th International Forum on Strategic Technology. (August 22-24, 2011), 2011. – P. 108-111. 3. Oliveira M. J., Malheiros L. F., Ribeiro S.C. A. Evaluation of the Heat of Solidification of Cast Iron from Continuous Cooling Curves // Journal of Materials Processing Technology. – 1999. Vol. 92-93. – P. 25-30. 4. Tamminen J. Thermal Analysis for Investigation of Solidification Mechanisms in Metals and Alloys. Doctoral dissertation (Reprint) // Chemical Communications University of Stockholm. – 1988. – № 2. – P. 1-23. 50 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 3 (99) Проблемы автоматизации, механизации и компьютеризации процессов литья 5. Fras E., Kapturkiewicz W., Burbelko A.A., Gusik E. Application of Fourier’s Thermal Analysis to the Determination of Kinetics Solidification of cast Iron // Advanced Material Research. – 1997. – Vol. 4-5. – P. 445-452. 6. Chavez M. R., Amaro A., Florez C., Juarez A. Gonzalez-Rivera. Newton Thermal Analysis of Grey and Nodular Eutectic Cast Iron // Materials Science Forum. – 2006. – Vol. (509). – P. 153-158. 7. Gibbs J. W., Mendez P. F. Solid Fraction Measurement Using Equation – Based Cooling Curve Analysis // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 58. – P. 699-702. 8. Quantification of the Microconstitnents formed During Solidification by the Newton Thermal Analysis Method / H. Cruz, C. Gonzalez, A. Juarez and et. el. // Journal of Materials Processing Technology. – 2006. – Vol.178. – P. 128-134. 9. Fourier Thermal Analysis the Solidification Kinetics in A356/SiCP Cast Composites / J.C. Baez, C. Gonzalez, M. R. Chavez and et. el. // Journal of Materials Processing Technology. – 2006. – Vol.178. – P.128-134. 10. Comparison of Newtonian and Fourier Thermal Analysis Techniques for Calculation of Latent Heat and Solid Fraction of Aluminium Alloys / D. Emadi, L. V. Whiting, M. Djurdevic and et. el. // Metallurgy. – 2004. – P. 91-106. Поступила 28.02.2013 ПАМЯТКА ДЛЯ АВТОРОВ 1. Рукопись с рецензией подается в редакцию в одном экземпляре, также прилагаются подробные сведения об авторах и контактная информация (адрес, телефон, факс, e-mail). 2. Объем статьи не должен превышать 10 страниц формата А4, количество иллюстраций – 5. 3. Последовательность расположения материала в статье следующая: индекс УДК, инициалы и фамилия автора, полное название учреждения, в котором работает автор, город, название статьи, текст. Список цитируемой литературы (на отдельной странице), подписи к рисункам (на отдельной странице). 4. Аннотации и ключевые слова к статье подаются на русском, украинском и английском языках, название статьи – на украинском и английском. 5. Автор подписывает экземпляр рукописи и рисунки (на обороте). 6. Текст должен быть сохранен в программе Microsoft Word (шрифт PragmaticaC, номер шрифта – 12, интервал – 1,5). 7. Формулы и буквенные обозначения должны быть набраны четко, крупно (шрифт PetersburgC). 8. Все единицы измерения даются по Международной системе единиц (СИ). 9. Каждая таблица печатается на отдельной странице, которая вкладывается в текст вслед за страницей, содержащей первую ссылку на нее. 10. Рисунки должны быть четкими (с разрешением как минимум 300 dpi) и сделаны отдельными файлами со стандартными графическими расширениями .jpeg,.tiff. 11. Список литературы составляется в порядке цитирования работ. В тексте ссылка на литературу дается порядковым номером в квадратных скобках (например, [2]). Библиографическое описание должно соответствовать титульной странице издания и даваться на языке оригинала. Для статей обязательно указывать название журнала, сборника и т. п., в которых они опубликованы, год издания, том, начальную и конечную страницы, а для монографий – место издания, издательство, год издания, общее число страниц. 12. Ссылки на неопубликованные работы не допускаются. 13. Иностранные фамилии в тексте даются в русской транскрипции. 14. Редакция принимает рукописи, оформленные в строгом соответствии с настоящими правилами. тел.: 424-04-10 E-mail: proclit@ptima.kiev.ua

Современные методики деривативного термического анализа для исследования процессов затвердевания литых сплавов

Репозитарії

Схожі ресурси