Моделирование дендритной кристаллизации в стали 25Л проводилось по методике, описанной выше. Исходными данными являются теплофизические свойства стали и ее химический состав. Граничные условия для моделирования были определены в предыдущем разделе (рис.12.12, табл.12.2).

Результат моделирования формирования структуры оформлен в виде дендритного каркаса для различных точек сечения отливки корпуса нагнетателя. На рис.12.13 представлена структура для 2-х нижних точек, взятых по вертикальной оси. Большие скорости охлаждения способствуют образованию мелкозернистой структуры. У поверхности формы оси дендритов зарождаются в жидком металле с большой скоростью, при этом химический состав слабо изменяется, постоянное содержание легирующих элементов в центре осей дендритов объясняется тем, что перемещение ликвата в радиальном направлении затруднено. При начале кристаллизации в двухфазном состоянии оси дендритов пронизывают сплав, образуя ячейки, в которые заключена жидкость, обогащенная примесями. Мелкозернистая сетка осей дендритов высших порядков препятствует оттеснению больших объемов ликвата к центру отливки.

Рис.12.13. Результат моделирования формирования

дендритного каркаса для элементов отливки корпуса нагнетателя

Рост мелкозернистого дендритного каркаса не может продолжаться значительное время, выделяемая теплота кристаллизации начинает существенно снижать скорость охлаждения стали. При этом образуется зона столбчатых кристаллов, а затем в центре отливки зона равноосных кристаллов (рис.12.14).

Дендрит является монокристаллом, растущим из одного центра — он растет в направлении теплоотвода осью первого порядка и выбрасывает оси второго и третьего порядков в моменты затруднения роста. При этом скелет растущего дендрита имеет состав, отличный от состава расплава. Возникновению дендритной кристаллизации способствует загрязнение расплава примесями. Дендритный рост кристаллов происходит в строго определенных кристаллографических направлениях, а ветвление дендрита происходит через определенные промежутки, определяемые составом сплава и условиями кристаллизации.

Рис.12.14. Результат моделирования формирования

дендритного каркаса для элементов отливки корпуса нагнетателя

Грань кристалла растет в результате отложения на ее поверхности атомов или молекул из расплава. При перемещении граней кристалла на некоторое расстояние они оттесняют определенное количество неусвоенной ими примеси в жидкость. При достижении критической концентрации примеси рост грани прекращается и возобновляется лишь тогда, когда концентрация примеси сталей ниже критической. Данная схема вполне объясняет рост главной оси дендрита. Появление вторичных осей и частоту ветвления дендрита можно объяснить неустойчивостью отдельных точек боковых граней, некоторым стеканием оттесненной примеси и уменьшением степени переохлаждения. С увеличением переохлаждения увеличивается расстояние между ветвями дендритов, поскольку при большом переохлаждении интенсивно выделяется скрытая теплота плавления, в том числе и в результате процессов на боковых гранях. Расстояние между осями дендритов (S1,S2) может быть связано со средней скоростью охлаждения соотношениями (14.10,14.11).

Рис.12.15. Расчеты параметров структуры в различных точках отливки

Верхняя кривая – зависимость среднего расстояния между главными

осями дендритов в зависимости от средней скорости охлаждения:

                                 S1=157.8-53.15*T .                                   (12.10)

Нижняя кравая – зависимость среднего расстояния между вторичными

ветвями дендритов в зависимости от средней скорости охлаждения:

                                S2=476.9-145.5*T .                                 (12.11)

Соотношения (12.10,12.11) получены обработкой данных моделирования, представленных на рис.12.15. Из графика видно, что хорошее совпадение проявляется только для определенной области скоростей охлаждения, эта область соответствует зоне дендритных кристаллов столбчатого строения. Зоне с мелкозернистой структурой кристаллов соответствуют большие скорости охлаждения, а области равноосных кристаллитов наоборот, для моделирования такие задачи являются экстремальными и не могут быть решены с достаточной точностью.

Скорость охлаждения сплава напрямую связана с размерами величины кристаллов. Чем выше скорость охлаждения, тем меньше размер дендритов.

Полученные данные по составу осей и межосных участков и характеру распределения элементов в пределах дендритов, выросших при кристаллизации, показывают следующее. Содержание легирующих элементов в осях дендритов близко к среднему содержанию их в стали, химический состав осей дендритов практически постоянен по всему сечению отливки. Наблюдается некоторое объединение осей легирую­щими элементами, обогащающими межосные участки дендритов в центре слитка; эти участки имеют более высокую концентрацию углерода , чем оси дендритов у поверхности слитка, и эта концентрация повышается вплоть до конца столбчатой зоны; в зоне равноосных кристаллов концентрация легирующих элементов в межосных участках остается почти неизменной. Увеличение степени ликвации по мере роста столбчатых кристаллов происходит в основном в результате обогащения межосных участков.

Постоянное содержание легирующих элементов в центре осей дендритов по сечению слитка объясняется тем, что оси дендритов зарождаются в жидком металле слабо изменяющегося состава при почти постоянной температуре, и перемещение ликвата в радиальном направлении затруднено. После начала кристаллизации в двухфазном состоянии оси дендритов пронизывают сплав, образуя ячейки, в которые заключена жидкость, обогащенная примесями. Сетка осей дендритов высших порядков препятствует перемещению больших объемов ликвирующего компонента к центру отливки.

Увеличение содержания элемента добавки при одинаковых скоростях охлаждения приводит к уменьшению расстояния между обеими ветвями дендритов. Это объясняется увеличением концентрационного переохлаждения.

Основной причиной прекращения роста дендрита при затвердевании является переход растворимых примесей из осей дендрита в межосные участки и уменьшение концентрационного переохлаждения у его вершины, на границе с жидкостью. Постоянно изменяющиеся температурные и ликвационные условия кристаллизации приводят к периодическому изменению формы дендритных кристаллов, началу и остановке их роста.

Рис.12.16. Моделирование формирования дендритной структуры

для отдельного элемента отливки, параметры структуры:

средний размер дендритной ячейки 55 мкм; средний размер зерна 350 мкм

Рис.12.17. Моделирование формирования дендритной структуры

для отдельного элемента отливки, параметры структуры:

средний размер дендритной ячейки 45 мкм; средний размер зерна 280 мкм

На рис.12.18 представлен результат расчета распределения размера зерна для сечения отливки корпуса нагнетателя.

Рис.12.18. Распределение размера зерна для сечения отливки корпус нагнетателя:

по осям x,y – координаты, по оси z – размер зерна в мкм

Разработанная методика позволяет также определить балл зерна в соответствии с ГОСТом, n=8*2^N, где n – количество зерен в 1 мм², а N – балл зерна.