49973

Исследование процесса затвердевания сварочной ванны с использованием метода материального моделирования

Лабораторная работа

Физика

Продемонстрировать механизмы роста кристаллитов используя смеси солей. Сравнить скорости затвердевания чистого расплава соли и расплава смеси солей при одинаковых механизмах роста; 3. Указать следы фронта затвердевания первичной границы роста кристаллитов. Задавая различные скорости сварки через окуляр микроскопа можно непосредственно наблюдать процессы структурообразования сварочной ванны изучая механизмы роста кристаллитов.

Русский

2014-01-13

1.94 MB

1 чел.

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки Российской Федерации

Тольяттинский государственный университет

Кафедра "Сварка, обработка металлов давлением и родственные процессы"

Лабораторная работа №3

«Исследование процесса затвердевания сварочной ванны с использованием       метода материального моделирования»

Студент:

Группа: ОТСП - 0901

Преподаватель: Василенко Н.Н.

Тольятти 2013 г.

Цель работы: усвоить методику материального моделирования с целью более глубокого понимания физических процессов, лежащих в основе затвердевания сварочной ванны.

 Оборудование: исследовательская установка, созданная на базе микроскопа типа МБС2, предназначенного для наблюдения прозрачных препаратов в проходящем свете, в светлом поле. В установку входит набор объективов и окуляров, которые обеспечивают увеличение микроскопической части установки в 24,5…600 раз. Для наблюдения за процессом кристаллизации рекомендован объектив 3,7х10. Сам прибор состоит из следующих составных частей:

1. Система материального моделирования;

2. Блок управления скоростью сварки;

3. Блок питания лампы освещения;

4. Блок питания двигателя.

В качестве материалов используются соли KNO3 и NaNO3.

Программа работы:

  1.  Получить у лаборанта набор солей.
  2.  Включить привод предметного столика. Подвести стержень паяльника к предметному столику, чтобы нижняя плоскость стержня касалась предметного столика, но не мешала его движению. Прогреть предметный столик в течении 10-15 мин.
  3.  Настроить установку для визуального наблюдения в следующем порядке:

3.1. Отрегулировать освещение с помощью соответствующих центровочных ручек и винтов установки, при этом световое пятно должно освещать часть предметного столика и внешний срез торца паяльника;

3.2. Настроить оптическую систему установки. Управляя ручками, установить их в таком положении, чтобы отчетливо была видна кромка жала паяльника. Включить вращение столика и нанести на его поверхность слой соли шириной 3-5 мм больше, чем рабочий диаметр стержня паяльника, толщиной 1-2 мм по всему периметру предметного столика;

3.3. Продемонстрировать механизмы роста кристаллитов, используя смеси солей. Сравнить скорости затвердевания чистого расплава соли и расплава смеси солей при одинаковых механизмах роста;

3.4. Промоделировать процесс затвердевания сварочного кратера. Зафиксировать поведение расплава соли, когда источник тепла прекращает своё действие. Резко вывести паяльник из контакта с предметным столиком;

3.5. Зарисовать часть шва (расплавленная соль). Указать следы фронта затвердевания первичной границы роста кристаллитов. Для этого либо получить фотографию наблюдаемой картины, либо с помощью телевизионной установки изучить наблюдаемую картинку на экране монитора компьютера.

Метод материального моделирования.

В данной лабораторной работе  свариваемый материал заменяется химическими соединениями с энтропией затвердевания меньше четырёх, в качестве источника тепла вместо электрической дуги используется обычный электрод-паяльник.

В результате нагрева выбранного химического соединения (например, соль или смесь солей) оно расплавляется под наконечником паяльника и образует прозрачную модель сварочной ванны. Для изучения процесса расплавления и кристаллизации используется оптические приборы, позволяющие вести наблюдение на просвете, например, биологический микроскоп, металлографический микроскоп типа МБС2.

Для моделирования процесса сварки предметный столик из кварцевого стекла оборудован электродвигателем постоянного тока, позволяющим регулировать скорость вращения предметного столика. Задавая различные скорости сварки, через окуляр микроскопа можно непосредственно наблюдать процессы структурообразования сварочной ванны, изучая механизмы роста кристаллитов. За счёт частичного поглощения и преломления световых лучей отчетливо видны фронт затвердевания, растущие кристаллиты, границы между ними, трещины, включения и т.д.  

Рис. 1 Схема образования второго фронта затвердевания с автономно растущими кристаллитами

Механизмы роста:

а) ячеистый механизм роста

Положение тумблера 15

Диапазон 1

VСВ = 0,1815 мм/с

Соль KNO3

Если градиент результирующего переохлаждения больше некоторого максимального, то переохлаждение смещается в жидкую фазу. Гладкий механизм роста переходит в ячеистый. На фронте кристаллизации появляются выступы и впадины. Кристаллиты будут состоять из большого числа параллельных ячеек – игл. Появляются субграницы между  ячейками.

б) гладкий механизм роста

Положение тумблера 6

Диапазон 1

VСВ = 0,0931 мм/с

Соль KNO3

Гладкий механизм роста имеет место при малой концентрации легирующих элементов и примесей. Характерен для более чистых металлов. Фронт затвердевания гладкий и количество границ между кристаллами невелико. 

в) дендритный механизм роста

Положение тумблера 4

Диапазон 2

VСВ = 1.696 мм/с

Смесь солей KNO3+NaNO3

Если величина переохлаждения велика, то температура по мере удаления от фронта затвердевания в расплав значительно понижается. Жидкость начинается охлаждаться быстрее твёрдой фазы. В этом случае при достаточно большой концентрации легирующих веществ и примесей становится наиболее вероятным дендритный механизм роста. Это может произойти при небольшом градиенте температур и большой скорости кристаллизации, хотя велика концентрация легирующих элементов. Если на фронте затвердевания какой-либо участок выдвигается вперёд, то он попадает в область повышенного переохлаждения. Это ведёт к увеличению скорости роста кристаллита. Выступ растёт быстрее других участков, превращается в пик. От него начинают расти новые выступы и т.д. Образуется разветвлённый кристалл – дендрит. Фронт затвердевания при дендритном механизме роста не имеет регулярной формы.

Вывод: в данной лабораторной работе была усвоена методика материального моделирования с целью глубокого понимания физических процессов, лежащих в основе сварочной ванне.

Были рассмотрены при типа механизма роста кристаллитов: ячеистый, дендритный и гладкий. Механизм роста зависит от: скорости кристаллизации, градиента температуры на фронте затвердевания и концентрации легирующих элементов и примесей.

Гладкий механизм роста имеет сравнительно ровный фронт затвердевания и небольшим количеством межкристаллитных границ и субграниц.

При ячеистом механизме гладкий фронт разрушается, межфазная поверхность приобретает неравную форму с периодическими выступами и впадинами.

Дендритный отличается от ячеистого тем, что затвердевание не обладает регулярной формой, а первичные кристаллиты образуются за счет роста твердой фазы по оси 1-го и 2-го порядков, т.е. одна из параллельно растущих до этого ячеек на фронте затвердевания образует выступ, вершина которого будет находиться в области большого переохлаждения по сравнению с соседними ячейками.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

54973. Легка атлетика 56 KB
  Мета: Розвиток основних фізичних якостей та рухових здібностей, підвищення рівня фізичної підготовності учнів.
54974. Макроэкономическое равновесие. Модель «изъятия – издержки» 17.67 KB
  Важным инструментом прогнозирования является разработанный В.Леонтьевым межотраслевой равновесный баланс, позволяющий анализировать экономику, как национальную, так и отдельных регионов и на основе этого вырабатывать адекватные меры.
54975. Полтавская битва 64.5 KB
  Карл XII вторгся в Польшу занял Варшаву и посадил на трон своего ставленника Станислава Лещинского. После того как Карл XII занял Саксонию Август II вынужден был заключить с ним мир. Что таким образом произошло с Северным союзом Петр I прекрасно осознавал что теперь все силы Карл XII обрушит на Россию. Карл XII подошел к русской границе.
54979. Засоби виразності обємної пластики: статика, динаміка. Композиція «Цирк» 7.65 MB
  Мета: Розширити знання про статику та динаміку в образотворчому мистецтві ознайомити з анімалістичним жанром у скульптурі Вчити передавати форми у русі у стані спокою визначити характер руху людей та тварин використовувати пластичні можливості матеріалу...
54980. Особливості внутрішньої будови плазунів. Розмноження. Сезонні явища у житті плазунів 136.5 KB
  Сезонні явища у житті плазунів. Особливості внутрішньої будови плазунів. Сезонні явища у житті плазунів.
54981. Розв’язування вправ на знаходження площ паралелограм та трапеції 231 KB
  Мета: Поглибити знання учнів з теми «Площі паралелограма та трапеції» продовжити формувати вміння знаходити площі трапеції, паралелограма, ромба, використовуючи вивчені властивості й формули;...