Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах

Рассмотрен процесс агрегативного формирования включений вермикулярного и шаровидного графита в высокопрочном чугуне. Показано, что компьютерное моделирование формирования графитных включений по DLA процессу обеспечивает адекватность фрактальных моделей и реальных графитных включений разной морфологи...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Соценко, О.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2012
Назва видання:	Металл и литье Украины
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131137
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:	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах / О.В. Соценко // Металл и литье Украины. — 2012. — № 12. — С. 3-10. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-131137
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1311372018-03-15T03:02:36Z Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах Соценко, О.В. Рассмотрен процесс агрегативного формирования включений вермикулярного и шаровидного графита в высокопрочном чугуне. Показано, что компьютерное моделирование формирования графитных включений по DLA процессу обеспечивает адекватность фрактальных моделей и реальных графитных включений разной морфологии. Розглянуто процес агрегативного формування включень вермикулярного та кулястого графіту у високоміцному чавуні. Показано, що комп’ютерне моделювання формування графітних включень по DLA процесу забезпечує адекватність фрактальних моделей і реальних графітних включень різної морфології. The process of formation of the aggregative inclusions and the vermicular graphite nodules in ductile iron is described. It is shown that a DLA computer simulation of formation of graphite inclusions ensures adequacy of fractal models and real graphite inclusions of various morphology. 2012 Article Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах / О.В. Соценко // Металл и литье Украины. — 2012. — № 12. — С. 3-10. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131137 551.15.03.15.15 ru Металл и литье Украины 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
description	Рассмотрен процесс агрегативного формирования включений вермикулярного и шаровидного графита в высокопрочном чугуне. Показано, что компьютерное моделирование формирования графитных включений по DLA процессу обеспечивает адекватность фрактальных моделей и реальных графитных включений разной морфологии.
format	Article
author	Соценко, О.В.
spellingShingle	Соценко, О.В. Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах Металл и литье Украины
author_facet	Соценко, О.В.
author_sort	Соценко, О.В.
title	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
title_short	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
title_full	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
title_fullStr	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
title_full_unstemmed	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
title_sort	особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2012
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/131137
citation_txt	Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах / О.В. Соценко // Металл и литье Украины. — 2012. — № 12. — С. 3-10. — Бібліогр.: 27 назв. — рос.
series	Металл и литье Украины
work_keys_str_mv	AT socenkoov osobennostiagregativnogomehanizmaformirovaniâstrukturyšarovidnogoivermikulârnogografitavmodificirovannyhčugunah
first_indexed	2025-07-09T14:49:49Z
last_indexed	2025-07-09T14:49:49Z
_version_	1837181269598797824
fulltext	�МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 УДК 551.15.03.15.15 О. В. Соценко Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах Рассмотрен процесс агрегативного формирования включений вермикулярного и шаровидного графита в высокопрочном чугуне. Показано, что компьютерное моделирование формирования графитных включений по DLA процессу обеспечивает адекватность фрактальных моделей и реальных графитных включений разной морфологии. Ключевые слова: высокопрочный чугун, шаровидный графит, агрегация, вермикулярный графит, фрактальная структура М еханизм формирования структуры компактных графитных включений остается одним из ос- новных в разработке общей теории модифици- рования в производстве чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита. Критерием оценки адекватности гипотез является их способность объ- яснять все разнообразие морфологических особен- ностей строения компактных и вермикулярных форм графита с позиций единого механизма. Более четырех десятилетий длится периодически возобновляющаяся дискуссия авторов – сторонни- ков различных гипотез формирования шаровидного графита в модифицированных чугунах [1-4]. Авторы одного из первых критических обзоров отмечали не- достаточную аргументацию наиболее распростра- ненных гипотез, отдавая предпочтение гипотезе образования графита в микроскопических газовых пузырьках [1]. В работе [2], опубликованной спустя 20 лет со дня публикации первого критического об- зора, отмечено противоречие теории и экспери- ментальных фактов в пузырьковой гипотезе. Автор данного обзора считает гипотезу формирования графита в газовых пузырьках несостоятельной в объяснении механизма процесса. Тем не менее, в очередном критическом анализе «общепринятых» гипотез образования шаровидно- го графита [3], опубликованном по прошествии еще 20 лет, авторы предлагают не только очередной вариант процесса на основе пузырьковой теории, но и распространяют его на механизм формирова- ния вермикулярного графита [4]. Циклическая пе- риодичность возрождения пузырьковой гипотезы в прошлом и, вероятно, в будущем обусловлена на- столько очевидной привлекательностью и «бесспор- ной» тождественностью формы газового пузырька и «идеального» графитного шарика, что попытки теоретического обоснования этой гипотезы будут продолжаться. Однако для объяснения механизма формирования включений графита различных «ано- мальных» форм в высокопрочном чугуне, например указанных в ГОСТ 3443-87, сторонникам пузырь- ковой гипотезы приходится использовать разные, часто экзотические механизмы. Одно из направлений развития теории форми- рования шаровидных и вермикулярных графитных включений в модифицированных чугунах основано на представлении о коллоидном строении жидкого чугуна. Такая модель строения жидкого чугуна с дис- персной графитной фазой является объектом мно- голетней дискуссии. Значительный интерес вызвали также и процессы агрегации коллоидно-дисперсной графитной фазы в результате глобуляризирующей обработки чугуна [5-8]. С целью экспериментального подтверждения различных проявлений агрегационных процессов в расплаве чугуна исследовали морфологические осо- бенности графитных образований в отливках каланд- ровых и прокатных валков с бочкой Ø 600-1020 мм; цилиндрических образцах Ø 15-100, отлитых в сухие песчаные формы, а также в призматических образ- цах толщиной 0,5-0,8 мм, полученных «заморажива- нием» расплава в медных щелевых холодильниках методом вакуумвсасывания. Для глобуляризиру- ющего модифицирования применяли магниевые ли- гатуры, ферроцерий и металлический магний. Перед заливкой в чугун вводили инокулирующий модифи- катор ФС75. Для выявления общих и наиболее статистиче- ски устойчивых морфологических признаков прове- ли анализ представительной выборки (> 1000 шт) случайных сечений графитных включений, форми- ровавшихся при различных скоростях охлаждения расплава и переменных концентрациях в нем гло- буляризирующих и инокулирующих добавок. Для этого отбирали центральные или наибольшие се- чения включений графита разных морфологических типов (от шаровидного до вермикулярного) с четко выраженными аномальными деталями, которые не так отчетливо выявляются в оптимальных услови- ях формирования шаровидных включений. Степень приближения случайного сечения графита к наи- большему оценивали в процессе послойного со- шлифования его с шагом 2-4 мкм [8]. Автор статьи предлагает рассмотреть основные положения и представления о коллоидно-агрега- ционной модели формирования компактного графи- � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 та в модифицированных чугунах, более подробно изложенные в работе [9]. В этой модели системы «расплав-графит» постулируется наличие в жидком чугуне в предкристаллизационный период полимо- лекулярных первичных блоков или пакетов графи- та, которые можно обнаружить химическим анали- зом, но не всегда выявить оптическим микроскопом. Вследствие сорбционных процессов поверхностно- активных элементов на поверхности раздела «гра- фит-расплав» образуется двойной электрический слой (ДС), создающий энергетический барьер, ко- торый препятствует коагуляции одноименно заря- женных первичных блоков графита и обеспечивает агрегативную устойчивость всей системы. В результате глобуляризирующей обработки чу- гуна вакуумированием, глубоким раскислением, де- сульфурацией и вводом редкоземельных металлов (РЗМ) физико-химические условия на межфазной границе «графит-расплав» изменяются [10]. Элект- рокинетический потенциал ДС снижается и может оказаться ниже порога коагуляции, вследствие чего агрегативная устойчивость системы нарушается. Это позволяет первичным графитным блокам агрегиро- вать, реализуя свойство кристаллов – способность формироваться дискретными отложениями относи- тельно параллельных слоев полимолекулярной толщины с одной стороны кристаллизующегося объекта [11, 12]. Анизотропность свойств графита в расплаве [13] допускает значительное развитие процесса ориен- тированного укрупнения графитных включений с образованием из первичных полимолекулярных бло- ков вторичных анизодиаметрических блоков-поли- кристаллитов секториальной (в случайном сечении) или пирамидальной (в объеме) формы. Так как на боковую поверхность этих блоков выходят призма- тические грани первичных блоков графита с макси- мальной сорбционной способностью, а их базисные поверхности составляют основание пирамидального блока, то вследствие анизотропии свойств графита ДС такой анизодиаметрической частицы графита неодинаков. Вблизи вершины пирамидального бло- ка ДС имеет минимальную величину, поэтому порог коагуляции в этой зоне преодолевается в первую очередь. В процессе поступательного и вращательного движений пирамидальных блоков коллоидных раз- меров под действием концентрационных потоков, имеющих конвективную природу [11], и броуновского движения в условиях аномальной вязкости [14, 15] происходят хаотические столкновения графитных тел друг с другом и с неметаллическими включени- ями экзогенного и эндогенного происхождения. В дооптимальном диапазоне глобуляризирующей об- работки чугуна столкновение блоков вершинами с минимальным энергетическим барьером приводит к формированию агрегатов разной степени упоря- доченности. В результате образуются «вермику- лообразные» или разреженные структуры графита (рис. 1; 2, г, д, е). При этом вероятность прилипа- ния дисперсных частиц графита к формирующему- ся агрегату графита близка к 100 %, то есть когда практически каждый контакт частиц приводит к их агрегации. При значительном уменьшении заряда ДС под действием модификатора в дооптимальном диапазоне микроструктурные блоки дисперсного графита при взаимном контакте агрегируют, образуя неупорядоченные структуры – перистые (рис. 2, д, з), «вермикулообразные» (рис. 1, а-е; 2, е), неупорядо- ченные (рис. 2, к). «Вермикулярность» графитных включений в слу- чайном сечении шлифа может не выявляться. От- дельные фрагменты включений воспринимаются как цепи скоплений отдельных включений (рис. 1, а-г). Однако стереологическая реконструкция таких обра- зований на основе последовательных сошлифова- ний образца чугуна показывает, что в действитель- ности такое графитное включение является связной структурой (рис. 1, д, е). Причем весь протяженный агрегат состоит из разориентированных фрагмен- тов дисперсной фазы, образовавших в процессе агрегации секториально-пирамидальные структур- ные элементы (рис. 1, а-г). В интервале оптимальных концентраций моди- фикатора, например при вводе 0,04-0,05 % Mg, не каждый взаимный контакт частиц приводит к их Рис. 1. Строение вермикулярного графитного агрегата в по- следовательных сечениях (а-г); контурная (д) и объемная рекон- струкция (е); автономные блоки агрегата (1-7) ед ба гв 100 мкм 100 мкм � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 агрегированию – слипанию. То есть, при меньшей вероятности слипания частиц формируются ком- пактные квазиглобулярные структуры графита (рис. 2, а-в) и пространство между секторами «за- лечивается» – заполняется дисперсной графитной фазой (рис. 2, л, м). Столкновения пирамидальных блоков поверх- ностями с более высоким зарядом, чем заряд в зоне вершин, не приводят к их коагуляции. Они продолжа- ют участвовать в движении до peaлизации контакта «вершина-вершина» или «вершина – неметалличе- ское включение». Окончательное состояние процес- са формирования включений графита фиксируется аустенитной оболочкой (рис. 2, г, ж-и). Для протекания гетерогенной коагуляции поли- кристаллических блоков по предложенному меха- низму кристаллографическое соответствие частицы инокулирующего модификатора и графитной фазы не является обязательным, что согласовано с вы- водами работы [16] и проиллюстрировано фрагмен- тами центральных частей компактных графитных включений (рис. 3, д, е). Большое значение в этом случае имеют знак и величина электрокинетического потенциала ДС частицы [9]. По рассмотренной схеме об- разуются компактные, преимуще- ственно секториально-моноцент- рические, включения графита (рис. 2, а, б, и, л). При дефиците гетерогенных центров коагуляции, особенно при замедленном охлаж- дении расплава, пирамидальные блоки могут формироваться в виде наружных концентрических слоев с разной степенью плотности упа- ковки и ориентации главных осей (рис. 3, а-г). При этом реализуют- ся контакты коагуляции «верши- на-основание» пирамидального блока. Моно- или полицентрическая агрегация автономных поликрис- таллических блоков зависит от гомо- или гетерогенной природы центра агрегации. Так, в цент- ральных зонах одних включений графита инородные неметалли- ческие частицы не обнаружены, в других – наблюдаются стеклооб- разные неметаллические включе- ния, расположенные эксцентрично (рис. 3, д), или кристаллические – в центре графитного включения (рис. 3, е). Нередко пирамидаль- ные поликристаллические блоки наружного слоя имеют признаки агрегирования в виде перистых (рис. 3, б) структур, аналогичных показанным на рис. 2, з, к. В ка- честве одного из таких признаков может быть характерная форма участков матрицы на межблочных границах наруж- ного слоя. Особенности морфологии многослойных графит- ных включений свидетельствуют о дискретности их формирования. Исходя из единого агрегативно- коагуляционного механизма образования компак- тных форм графита, можно с достаточным основа- нием утверждать о дискретном формировании и ядра многослойных включений графита. Анализ пространственно-геометрического распо- ложения участков матрицы в графитных структурах показал, что форма и характер ее размещения в виде радиально ориентированных цепей и пластин (рис. 2, а, б, ж), колец в двухслойных включениях (рис. 3, а, б) и впадин на внешнем контуре сече- ния (рис. 3, а, д) не являются результатом проры- ва расплава в пустотелые включения графита [1]. Это обусловлено фиксацией матричной жидкости в межблочном пространстве в процессе агрегативного формирования автономных пирамидальных блоков и смыкания их межблочных границ. Характерно, что Рис. 2. Варианты строения графитных агрегатов: компактных (а-в, ж, и, л, м); вермику- лярных (г-е); перистых (з, к) д е в г а б л м и к ж з � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 на радиальной линии, проходящей через цепочки участков матрицы, в сечении графитного включения всегда находится соответствующий признак его на- ружного контура: квазиэпициклоидальная впадина или разрыв границы (рис. 2, а, б). Изложенный выше механизм формирования гра- фитных включений с позиций классификации моде- лей относится к концептуальным или феноменологи- ческим, хотя и опирающимся на экспериментальный материал. Эту модель можно дополнить детермини- рованной моделью процесса формирования графит- ных включений. Исследуемый процесс относится к многофакторным и весьма сложным в теоретиче- ском описании металлургическим системам [17]. Представленные выше экспериментальные дан- ные по морфологии реальных графитных включений дают основания для применения методов фракталь- ной геометрии к описанию особенностей строения включений графита в высокопрочном чугуне с шаро- видным графитом (ВЧШГ). Фрактальный подход со- ответствует более высокому уровню анализа и пони- мания физической природы систем и явлений. Идеи и методы фрактального анализа успешно реализуют в материаловедении [18], оценке свойств металлов [19], металловедении, металлургии, литейном про- изводстве [20, 21] и др. В последние десятилетия количество публикаций о фракталах и приложениях фрактальной геометрии в науке и технике возрастает во всем мире экспоненциально. Фрактальный анализ позволяет намного упростить сложные процессы, что важно для понимания их сущности, моделирования, описания и управления. Исследование ранних стадий формирования графитных включений показало, что этот процесс происходит в результате агрегации дисперсных субмикроскопических блоков-кристаллитов по диф- фузионному механизму [22, 23], что подтверждено приведенными выше экспериментальными данны- ми (рис. 2; рис. 3, а-г). Для подобных агрегатов часто используют понятие фрактального кластера, под которым понимают структуру, образующуюся в результате ассоциации частиц при условии диф- фузионного характера их движения. Для исследования и моделирования таких объ- ектов часто применяют модельные фракталы. Смо- делированному фрактальному кластеру, у которого есть своя фрактальная размерность, можно сопо- ставить реальный кластер или агрегат, который также имеет фрактальную структуру и такую же фрактальную размерность [24]. Та- ким образом, исследуя свойства модельного фрактального класте- ра, можно проанализировать свой- ства реальных кластеров с фрак- тальной структурой [25]. В 1981 г. Т. Виттен и Л. Сандер [26] предложили простую модель агрегации частиц, ограниченной диффузией (DLA – diffusion limited aggregation). Интерес к этой моде- ли был вызван, во-первых, тем, что большое количество физических объектов формируется примерно по этому механизму. Во-вторых, при относительно простой моде- ли можно учесть влияние многих факторов. Программно модельный Рис. 4. Интерфейс апплета для моделирования DLA-процесса роста графитных вклю- чений Рис. 3. Варианты строения графитных включений: двухслой- ных (а-г); с неметаллическими включениями (д, е) д е в г а б � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 DLA процесс реализуется многочисленными мо- дификациями компьютерных программ (апплетов), доступных в сети Internet. Интерфейс одного из них [27], использованного в данной работе, представлен на рис. 4. В простейшей постановке задачи способ по- строения фрактального кластера, образованного из отдельных частиц, в двумерной модели состоит в следующем. Ограниченное двумерное простран- ство разбивается на множество квадратных ячеек. В одну из них помещают частицу-затравку, а затем из удаленного источника на границе области по- очередно выпускаются частицы, которые соверша- ют броуновское движение. Каждая новая частица передвигается в соседнюю клетку случайным об- разом, – ее путь выбирают методом Монте-Карло. Если частица достигла границы пространства, она отражается от нее. Движение частицы продолжа- ется до тех пор, пока она не окажется по соседству с частицей-затравкой или с одной из частиц обра- зующегося агрегата – кластера. Тогда «блужда- ющая» частица останавливается и закрепляется в данной ячейке, а в пространство запускается сле- дующая частица. Таким образом, происходит рост DLA-кластера. Более подробно механизм этого процесса рассмотрен в работе [24]. Апплет [27] демонстрирует процесс стохастиче- ского роста в порядке, который определяется пред- почтениями пользователя. В цветном варианте цвет каждой частицы в процессе агрегации представляет «историю» частиц, то есть на какой стадии частица присоединилась к агрегату. Движение частиц может быть задано одним из двух вариантов – баллисти- ческим или диффузионным. Многовариантность апплета позволяет задавать значения основных параметров в достаточно широких пределах, что дает возможность имитировать влияние различных факторов, определяющих форму агрегата, моделирующего в нашем случае процесс формирования гра- фитного включения. Управляемые параметры процесса в интерфейсе программы реализуются команда- ми с помощью кнопок и движков. К числу важных параметров процесса применительно к фор- мированию модели графитного кластера можно отнести следу- ющие опции: «радиус захвата» – работает как магнит, который при- тягивает частицы (диапазон 0-30) и позволяет частице присоединить- ся к агрегату, если она находится на некотором расстоянии от него; «радиус действия» – определя- ет расстояние, которое предсто- ит «пройти» частице через самые внешние части агрегата от обла- сти запуска до окружности, цент- ром которой является частица- затравка (диапазон 1-40); «веро- ятность» – задает вероятность присоединения (прилипания) частицы к агрегату (диапазон 1-100); «диффузия / баллистика» – в со- ответствии с выбранным вариантом определяет про- цесс роста агрегата (в режиме «диффузия» частица движется в разных направлениях до тех пор, пока не присоединится к агрегату или не покинет область построения агрегата на дисплее; в режиме «баллис- тика» – по прямому маршруту из случайной точки на дисплее и в случайном направлении). В нижней части интерфейса апплета справа не- прерывно указывается количество частиц, которые прошли через этот процесс на каждый момент вре- мени (в том числе тех частиц, которые не присоеди- нились к агрегату). Здесь же выводится информация о «массе» – количестве частиц, из которых состоит агрегат в своем текущем состоянии. В качестве примера на рис. 5 показаны модели графитных кластеров, сформировавшихся при раз- ных значениях опции, определяющей вероятность присоединения частиц дисперсной фазы к агрегату в процессе его роста. Серия моделей (рис. 5, а, б) формировалась в диффузионном режиме при 100 % вероятности присоединения (прилипания) частиц к агрегату. По форме и характерным элементам стро- ения эти модели можно рассматривать как морфо- логические аналоги группы графитных агрегатов, показанных на рис. 2, д, е, з. Модельные агрегаты, приведенные на рис. 5, г-е, формировались в том же режиме, но при вероятности прилипания частиц в диапазоне 5…30. Эта группа моделей по морфоло- гическим признакам может рассматриваться как ана- лог графитных включений, показанных на рис. 2, а, б�� В процессе формирования внутри модельного кластера между его радиально ориентированны- ми секториальными блоками образуются поры – участки «матричной жидкости». По мере роста структуры число пор и их размеры увеличиваются, Рис. 5. Влияние вероятности (Р, %) прилипания частиц дисперсной фазы на форму DLA-модели графитного включения в диффузионном режиме роста: Р = 100 (а-в); Р = 5 (г); Р = 10 (д); Р = 30 (е) д е в г а б � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 что обусловлено эффектом экранирования. Экрани- рованными оказываются элементы кластера, распо- ложенные во впадинах его извилистой фрактальной поверхности, куда вероятность попадания частиц из окружающей матричной жидкости (макрофазы) очень мала. Поэтому частицы дис- персной фазы присоединяются к тем центрам роста кластера, которые более доступны для контакта. Такие центры роста оказываются расположенными на выступах поверхности кластера. Поэтому экранированные актив- ные центры роста фрактального кластера не реализуются. Они ос- таются во внутренних замкнутых порах. Этим и объясняется сни- жение средней плотности частиц фрактального кластера по мере удаления от образующего цент- ра. Скриншоты последовательных этапов формирования кластерной модели компактного графитного включения приведены на рис. 6. Захват матричной жидкости рас- тущими секториальными блока- ми проявляется уже на ранних стадиях формирования кластера (рис. 6, б, в). На последующих этапах роста (рис. 6, г-е) эти ра- диально расположенные участ- ки матрицы замыкаются внутри агрегата, что аналогично замы- канию матричной жидкости при формировании реальных графит- ных структур (рис. 2, а-в). Серия последовательных скриншотов формирования другой модели (рис. 6, ж-и) воспроизводит ана- логичный механизм формирования компактного графитного включения. Эффект экранирования наблюдают и при фор- мировании рядом расположенных отдельных клас- теров (рис. 7) и графитных включений (рис. 2, в, м). В процессе формирования «строи- тельный материал» не попадает в межкластерное пространство, и процесс завершается с сохранени- ем разделительного слоя матрич- ной жидкости. Сравнение строения реаль- ных графитных включений с раз- ной степенью плотности смыка- ния секториальных элементов (рис. 8, а, в, д, ж) и соответ- ствующих типов моделей DLA- кластеров (рис. 8, б, г, е, з) сви- детельствует об идентичности процессов их формирования. По- следовательная обработка фрак- тальных DLA-кластеров методом дилатации, имитирующей про- цессы коалесценции и уплотне- ния частиц в графитном кластере, позволяет получить кластеры ана- логичные графитным структурам. Рис. 7. Проявление эффекта экранирования при групповом росте смежных DLA- моделей графитных включений: три включения (а, б); два включения (в-е); последователь- ные стадии (г-е) ва б д ег Рис. 6. Динамика формирования DLA-моделей компактных графитных включений по вариантам: № 1 (а-е); № 2 (ж-и) з и в ж а б д ег � �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012� �МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 ЛИТЕРАТУРА 1. Справочник по изготовлению отливок из высокопрочного чугуна / Под ред. А. А. Горшкова. – М.; К.: Машгиз, 1961. – 300 с. 2. Неижко И. Г. О теориях образования шаровидного графита // Кристаллизация, структурообразование и свойства модифицированного чугуна: Сб. – К.: ИПЛ АН УССР, 1982. – С. 3-14. 3. Баранов А. А., Баранов Д. А. К теории образования в чугуне шаровидного графита // Металл и литье Украины. – 2003. – № 9-10. – С. 42-45. 4. Баранов Д. А. О механизме формирования вермикулярного графита при затвердевании чугуна // Литейн. произв-во. – 2004. – № 10. – С. 2-3. 5. Епанчинцев О. Г., Шебатинов М. П. Исследование структуры графита в чугуне на растровом микроскопе // Там же. – 1971. – № 9. – С. 27. 6. Дибров И. А., Комиссаров В. А., Жевтунов П. П. Технологические возможности воздействия на включения графита в жидком чугуне при плавке в индукционных печах // Свойства расплавленных металлов. Тр. XVII совещания по теории литейных процессов: Сб. – М.: Наука, 1974. – С. 50-53. 7. Шебатинов М. П. Роль модификаторов в процессе формирования включений графита шаровидной формы // Литейн. произв-во. – 1979. – № 1. – С. 2. 8. Соценко О. В. Особенности массопереноса углерода в процессе формирования графита в ВЧШГ // Изв. вузов. Чер. металлургия. – 1988. – № 11. – С. 114-118. 9. Соценко О. В. Агрегативный механизм формирования графита в ЧШГ // Там же. – 1990. – № 8. – С. 71-74. 10. Ивахненко И. С. Роль сорбции примесных элементов в процессах зарождения включений графита в чугуне // Литейн. произв-во. – 1979. – № 3. – С. 2. 11. Процессы реального кристаллообразования / Н. Н. Шефталь, В. Е. Кисенко, А. Н. Бузыкин и др. – М.: Наука, 1977. – 234 с. 12. Хуснутдинов Г. Д., Курепина В. В., Черновол А. В. Факторы, определяющие форму включений графита в рафинированных сплавах Fe-С-Si // Литейн. произв-во. – 1980. – № 8. – С. 3-4. Выводы Формирование включений графита в чугунах, подвергнутых глобуляризирующей обработке, реа- лизуется путем агрегации дисперсной графитной фазы и построения пирамидальных поликристал- лических блоков с моноцентрической или полицент- рической их ориентировкой в квазиглобулярных или вермикулярных структурах графита. Термодинамическим стимулом коагуляционного структурообразования компактных форм графита является стремление системы «расплав-графит» к снижению свободной энергии путем уменьшения межфазной поверхности в результате ориентиро- ванной коагуляции и смыкания межблочных границ в графитных включениях. Компьютерное моделирование процессов фор- мирования графитных включений различной мор- фологии на основе DLA-модели позволяет не толь- ко создавать их адекватные фрактальные моде- ли, но и управлять этими процессами на основе настраиваемых параметров, аналогичных парамет- рам реального структурообразования в чугуне. Рис. 8. Сопоставление строения: компактных графитных включений (а. в, д, ж); DLA-моделей (б, г, е, з) да в ж еб зг 10 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’201210 11МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 12 (235) ’2012 Соценко О. В. Особливості агрегативного механізму формування структури кулястого та вермикулярного графіту в модифікованих чавунах Розглянуто процес агрегативного формування включень вермикулярного та кулястого графіту у високоміцному чавуні. Показано, що комп’ютерне моделювання формування графітних включень по DLA процесу забезпечує адекватність фрактальних моделей і реальних графітних включень різної морфології. Анотація ductile iron, spherical graphite, aggregation, vermicular graphite, fractal structureKeywords Sotsenko O. V. Features of the aggregative mechanism of spherical and vermicular graphite forming in the modified cast irons The process of formation of the aggregative inclusions and the vermicular graphite nodules in ductile iron is described. It is shown that a DLA computer simulation of formation of graphite inclusions ensures adequacy of fractal models and real graphite inclusions of various morphology. Summary високоміцний чавун, кулястий графіт, агрегація, вермикулярний графіт, фрактальна структураКлючові слова Поступила 17.10.12 13. Межфазное натяжение и форма графита, кристаллизующегося в жидком чугуне / Б. С. Мильман, Н. Н. Александров, В. Т. Соленков, Л. В. Ильичева // Там же. – 1976. – № 5. – С. 3-6. 14. Ри Хосен, Литвиненко А. Н., Мостовой Н. И. Влияние кремния на строение и свойства модифицированных железоуглеродистых расплавов // Там же. – 1977. – № 9. – С. 1-2. 15. Гистерезис вязкости железоуглеродистых расплавов / В. С. Шумихин, В. М. Замятин, Б. А. Баум, А. К. Билецкий // Там же. – 1978. – № 6. – С. 4-5. 16. Fransis В. Heterogeneous Nuclei and Graphite Chemistry in Flake and Nodular Cast Irons. Metallurgical Transactions. – 1979. – V. 10 A, № 1. – P. 21-31. 17. Моделювання та оптимальні металургійні системи: Навч. посібник / Ред. В. Б. Охотський та ін. – К.: ІЗМН, 1998. – 156 с. 18. Синергетика и фракталы в материаловедении / B. C. Иванова, А. С. Баланкин, И. Ж. Бунин, А. А. Оксогоев. – М.: Наука, 1994. – 384 с. 19. Барахтин Б. К., Мещеряков Ю. И., Савенков Г. Г. Динамические и фрактальные свойства стали СП-28 в условиях высокоскоростного нагружения // Ж-л технической физики. – 1998. – Т. 68, № 10. – С. 43-49. 20. Михалев А. И., Деревянко А. И., Помулев В. В. Применение методов фрактальной геометрии для анализа металлоструктур // Вестник ХГТУ. – 2001. – № 3 (12). – С. 178-180. 21. Фрактальная модель роста зерен при затвердевании сплавов / Ю. Н. Таран, А. И. Михалев, В. Е. Хрычиков, А. И. Деревянко // Современные проблемы металлургии. Научн. тр. НМетАУ. – 2001. – Т. 3. – С. 414-421. 22. Соценко О. В. Особенности формирования структуры графита в модифицированных чугунах // Литейн. произв-во. – 1983. – № 12. – С. 5-8. 23. Соценко О. В. Аномальные формы графита в модифицированном чугуне // Теория и практика металлургии. –1998. – № 4. – С. 17-20. 24. Соценко О. В. Компьютерная DLA-модель формирования шаровидного графита в высокопрочном чугуне // Металл и литье Украины. – 2009. – № 9. – С. 3-9. 25. Смирнов Б. М. Фрактальные кластеры // Успехи физических наук. – 1986. – Т. 149, Вып. 2. – С. 177-217. 26. Witten Т. A., Sander L. M. Diffusion-limited aggregation as a kinetical critical phenomena // Phys. Rev. Lett. – 1981. – V. 47, № 19. – P. 1400-1403. 27. Welcome to the «Random Growth» applet. – Режим доступа: http://ory.ph.biu.ac.il/2000/English/main_index.html – Загл. с экрана. – Яз. англ.

Особенности агрегативного механизма формирования структуры шаровидного и вермикулярного графита в модифицированных чугунах

Репозитарії

Схожі ресурси