УДК 669. 13.62
Л.В. Палаткина
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В СЕРОМ ЧУГУНЕ
Волгоградский государственный технический университет
Выполнен анализ первичной структуры чугуна и рассмотрен возможный вариант её трансформации, влияющий на рост прочности в чугунных отливках.
Ключевые слова: серый чугун, композиционное упрочнение, дендрит, эвтектика, активность углерода (ас), прочность.
Введение
Большое количество исследований за длительный период производства различной продукции показывает, что серый чугун с пластинчатым графитом, оставаясь одним из самых дешевых и доступных материалов, обеспечивает надёжность и долговечность различных машин и механизмов. Однако чугун во многом не использует своих потенциальных возможностей и резервов, которые так необходимы для улучшения качественных характеристик изделий из него и расширения сферы его использования.
Недостаточные успехи производства в изготовлении высококачественных деталей машин и механизмов во многом являются следствием несовершенства подхода к процессам структурообразования серого чугуна. В тоже время применение принципиально нового композиционного подхода к строению одного из старейших литейных сплавов, является наиболее перспективным из существующих направлений. Композиционный подход основан на том, что в первом приближении первичная структура серого чугуна подобна структуре волокнистых композиционных материалов (ВКМ), армированных дискетными волокнами. Морфологические особенности структуры кристаллизации серого чугуна таковы, что при её формировании в течение первого этапа кристаллизации, образуя пространственный каркас, выделяются весьма совершенные образования: разветвлённые, цельнометаллические дендритные монокристаллы первичного аустенита, сохраняющие свою индивидуальную форму при последующих твердофазных превращениях. После достижения межденритной жидкостью эвтектического состава в виде ячеек кристаллизуется эвтектика, образуя тем самым непрерывную матрицу. Каждая ячейка имеет внешнюю металлическую границу, состоящую из легкоплавких ликватов, а внутренние объёмы находящегося в ней эвтектического аустенита разупрочнены, в зависимости от степени разветвлённости графитного монокристалла.
Предпосылки композиционного подхода были заложены в работах зарубежных и отечественных ученых Н. Г. Гиршовича, Г. А. Косникова, И. А. Иоффе, В. Паттерсона и Г. Н. Троицкого ; развиты в исследованиях В. А. Ильинского, Л. В. Костылевой, А. А. Жукова и нашли признание в трудах Б. Н. Арзамасова и Р. Эллиота . В связи с этим, изучение структуры серого чугуна и поиск на этой основе новых технических решений по повышению качества чугунных отливок является актуальной задачей, которая имеет как научное, так и прикладное значение.
Цель данной работы заключалась в изучении особенностей образования первичной структуры чугуна и анализе возможности её изменения для повышения прочности чугунных отливок.
Методика проведения исследований
Предметом исследования были серые машиностроительные чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 15 - СЧ 30, согласно ГОСТ 1412-85 (СТ СЭВ 4560-84). Степень эвтек-тичности исследуемых композиций чугунов изменялась в пределах от 0,82 до 1,0. Металло-
© Палаткина Л.В., 2012.
графический анализ первичной структуры серых чугунов проводили на шлифах, изготовленных из материала стандартных разрывных образцов (0 30 мм).
Дендриты первичного аустенита в сером чугуне при исследовании их методами оптической металлографии выявляли многократным травлением в смеси борной и серной кислот: борная кислота в количестве 10 - 30)г.; серная кислота - в объёме 100 мл. Травление кратковременное 6 - 10 с, после чего шлиф промывался проточной водой и слегка переполировы-вался.
Структура эвтектической кристаллизации для определения дисперсности эвтектических ячеек выявлялась травлением образцов реактивом, состоящим из 3 г CuSO4, 4 г пикри-
новой кислоты, 20 см концентрированной соляной кислоты и 100 см - этилового спирта. Наиболее четко эвтектические ячейки выявлялись после двух- и трехкратного травления и переполировки.
Количественные металлографические исследования с целью определения объемной доли дендритных кристаллов первичного аустенита (/дк) выполняли методом секущих на микроскопе Neophot - 21 при увеличениях от 10 до 100. Длину дендритов оценивали по наибольшему в данном сечении. Далее из выражения
где X - дендритный параметр - расстояние между центрами осей второго порядка, находили диаметр дендритных кристаллов.
Исследование морфологии дендритов выполняли на шлифах при увеличении от 3 до 100 раз с помощью оптической бинокулярной лупы МБС - 7 и оптических микроскопов Neophot - 21 и Olimpus BX61. Учитывая армирующую роль дендритов первичного аустенита, особое внимание уделялось их расположению относительно разрушающих нагрузок и упрочняемых ими ячеек эвтектики.
Для оценки дисперсности эвтектических ячеек, ограниченных сеткой фосфидной эвтектики, измеряли средний диаметр линейным методом, подсчитывая количество зерен на 1 см произвольной секущей не менее, чем в пяти местах шлифа при увеличении три-пять раз.
При идентификации природы аномальных дендритных кристаллов проводили качественный анализ микроликвации кремния по цвету плёнки SiO2, образующейся на поверхности шлифов при травлении их в кипящем водном растворе пикрата натрия. По мере убывания содержания Si в структурных составляющих чугуна цвет плёнки изменялся в следующем порядке: желто-зеленый, голубой, пурпурный, соломенно-желтый. По изменению интенсивности окрашивания отдельных микроликвационных зон строили варианты примерных профилей сегрегационных кривых, которые отражали усреднённые графические представления о распределении Si по сечению дендритных ветвей и в междуветвиях. Оценивали характер микроликвации кремния, однородность окраски в пределах каждой микроструктроной зоны, протяженность переходных зон изменения окраски, наличие скачкообразного изменения цвета и др.
Микрорентгеноспектральным анализом исследовали неоднородность армирующего дендритного каркаса чугуна по содержанию Si, Mn и S при непрерывном перемещении зонда и путём продолжительного (60 с) набора импульсов в отдельных характерных точках траектории, пересекающей дендритные ветви. Исследования микрохимической неоднородности распределения элементов по сечению армирующих дендритных ветвей серого чугуна выполняли на микрорентгеноспектральном анализаторе Super Prob-733.
Дюраметрические исследования изменения свойств дендритных ветвей проводили до и после термического воздействия.
Электронный растровый микроскоп РЭМ - 250 использовали для анализа разрушения серого чугуна с позиций рассмотрения его аналогии волокнистому композиту.
Термокинетические условия кристаллизации, в качестве возможной причины формирования аномальных дендритов, оценивали металлографически, сравнивая дисперсность первичной структуры в образцах чугуна обычного и аномального строения. При этом определяли:
Объёмную долю дендритов (/Дк);
Расстояния между ветвями второго порядка (X), мкм.;
Толщину дендритных ветвей, включая кайму мкм.;
Дисперсность ячеек эвтектики (0), мкм.;
Морфологию графитной фазы.
Все перечисленные измерения выполняли с применением известных методов количественной металлографии, достоверность которых обеспечивали достаточной базой измерений (> 30) и статистической обработкой результатов исследований.
Для измерения толщины дендритов использовали только поперечные сечения дендритных ветвей, находящихся в поле зрения в виде кругов или эллипсов. Толщины дендритов являются наименее удобными для измерения параметрами и для получения приемлемой точности требуют существенно большей базы, которая в этих исследованиях была увеличена до 100 - 150 измерений. Полагали, что разница в толщинах дендритов у аномальных и штатных чугу-нов могла стать информативным параметром для анализа особенностей кристаллизации наружных и внутренних микроструктурных зон в аномальных ветвях.
С позиций переохлаждения предусматривали также провести идентификацию графита в чугунах с аномальными структурами на предмет исключения или подтверждения возможности образования его вследствие распада карбидов. Для этих исследований намечали применение просвечивающей рентгеновской микроскопии тонких фольг чугуна на рентгеновском микроскопе МИР - 2 с острофокусной трубкой (анод вольфрамовый) для просвечивания фольг применяли излучение со сплошным спектром, имеющим максимум интенсивности на длине волны 0,2 нм (2 А). Подготовка образцов предусматривала вырезку чугунных пластинок толщиной 1 - 0,5 мм и последующее их утонение до фольги толщиной > 0,08 мм шлифованием на мелкозернистой бумаге вручную. Толщину фольги выбирали в соответствии с параметрами исследуемых элементов структуры.
Информативность объёмных изображений графитовых включений определялась их формой. Так, мелкие изолированные включения, хотя бы отдаленно напоминающие графит отжига, могли свидетельствовать в пользу распада карбидов, тогда как тонколепестковые розетки, растущие из одного центра, были бы характерными для выделения их из жидкой фазы.
Таким образом, сопоставительный анализ параметров первичной структуры в чугунах с аномальным и штатным строением дендритов позволял получить достоверную информацию о роли термокинетики кристаллизации в образовании аномалии.
Многообразие форм термодинамических воздействий на структуру чугуна требовало проведения предварительного анализа в рамках конкретной рабочей гипотезы, ограничивающей объём возможных вариантов исследований. В связи с этим, в качестве проверки рабочей гипотезы, объясняющей воздействие термодинамики кристаллизации на возникновение в дендритах высокоугловой границы, анализировали только возможность блокировки дендритного роста, например поверхностно - активными примесями.
Для определения содержания примесей предусматривали использовать фотоэлектрический квантометр ARL 3400. В сравнительных исследованиях штатных и аномальных образцов чугуна надеялись обнаружить различия в содержании примесей, обладающих положительной адсорбцией по Гиббсу. Наличие таких примесей могло кардинально изменять штатную дендритную кристаллизацию.
Результаты исследований
Проведённый анализ соответствия первичной структуры серого чугуна основным принципам упрочнения композитов с неориентированными дискретными волокнами показал, что первый принцип композиционного упрочнения ВКМ, заключающийся в том, что объёмная доля армирующих волокон в композите должна быть в переделах от 20 до 80 %, в чугуне выполняется.
Показано, что объёмная доля армирующих дендритных кристаллов (/Дк) в промышленных чугунах изменяется значительно: от 15 до 65 % (рис. 1).
/дк < 15 /дк Ä 25 /дк Ä 35 /дк « 45 /дк > 55
Рис. 1. Дендритная структура чугуна со степенью эвтектичности 0,82< Sc <1,0, приведенная толщина стенки отливки 15 мм, х 70
Следует также отметить, что объёмную долю дендритов (/Дк), выполняющих в чугуне роль армирующих волокон, современные литейные технологии позволяют в промышленных чугунах регулировать во всем интервале.
В результате исследований было установлено, что при прочих равных условиях с ростом количества дендритов в объёме металла прочность композиций чугуна увеличивается, но только до некоторого предела (~ 45 %), в котором происходит качественная смена зависимости, и прирост количества армирующих дендритов не находит отражения в увеличении прочности чугуна (рис. 2).
"Vi* ♦. к ♦ ♦♦Г «1 ♦♦ ♦ ф < * * ■
9ж* т ♦ X* ♦ ♦ « « ♦ < » 1
Рис. 2. Зависимость прочности (ов) серого чугуна при растяжении от объёмной доли дендритов (/ДК)
Для выяснения причин, приводящих к этому, исследовали распределение дендритов относительно приложенной нагрузки в поперечных и продольных сечениях чугунных разрывных образцов, имеющих при одинаковой объёмной доли существенно разные значения прочности.
При анализе было обнаружено, что чугун на стадии дендритного роста затвердевает в соответствии с классической теорией структурообразования. Оставив в стороне вопрос об
образовании зоны замороженных кристаллов, можно утверждать, что происходит образование двух зон. Первой зоны столбчатой кристаллизации, наблюдаемой с внешней поверхности образца и состоящей из дендритов с параллельными осями I порядка, и второй зоны равноосных кристаллов с беспорядочно ориентированными дендритами в его центральных участках, протяженность, которой варьировалась от 0,1 - 0,5 до 1,5 мм.
Таким образом, распределение дендритов относительно приложенной нагрузки различно и может быть стохастическим, транскристаллитным и смешанным (рис. 3).
«СТОХАСТИЧЕСКОЕ» «СМЕШАННОЕ, ЗОНАЛЬНОЕ» «ТРАНСКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ»
ПРОДОЛЬНОЕ Е И ш шш
ПОПЕРЕЧНОЕ Щ Е Ч Е С в
СХЕМА ёШь, ♦
Рис. 3. Распределение дендритных кристаллов в объёме стандартных разрывных образцов, х 15
Транскристаллитное строение дендритных кристаллов, имеющих развитую ось I порядка и малую длину осей II порядка, наблюдается только при их высокой объёмной доле, и, как правило, направление осей I порядка перпендикулярно приложенному напряжению, что и вызывает уменьшение сопротивления чугуна распространению магистральной трещины, траектория которой легко огибает ветви дендритного каркаса, не пересекая их. Это приводит к тому, что увеличение объёмной доли дендритных ветвей не повышает прочности композиции в целом.
При отсутствии зоны столбчатой кристаллизации примерно в 45% случаях наблюдалось полностью стохастическое распределение армирующих дендритов, соответственно 35% приходилось на смешанное строение. В остальном объёме исследованных образцов было обнаружено (хотя и не имеющее сплошного фронта, а занимавшего только часть объёма в образце) явление транскристаллизации.
Исследования показали, что в промышленных чугунах длина дендритных кристаллов во много раз больше их диаметра 1дк = (3 ^ 16) ± 0,94 мм, ^дк = (20 ^ 28) ± 0,85 мкм, следовательно, отношение длины дендритов к их диаметру (/дк / ^дк) превышает минимально необходимую для волокнистых композиционных материалов величину, которая должна быть более 10.
В то же время при высокой объёмной доле дендритов наблюдается их пакетное строение (рис. 4). Дендритные кристаллы занимают при этом довольно большой объём, так как во время затвердевания разрастаются во всех направлениях.
Относительно приложенной нагрузки дендритные кристаллы имеют пакетное строение и стохастическую ориентацию, а магистральная трещина при распространении либо вызывает их разрушение, либо изменяет своё направление, огибая их, что, несомненно, повышает сопротивление материала разрушению. Чугуны с такими структурами расположены, как правило, на верхнем участке зависимости (рис. 2), обеспечивая прочность ~ 300 МПа.
Рис. 4. Пакетное строение дендритных кристаллов в чугуне, х 7
Показано, что в серых чугунах с разным количеством дендритов степень влияния размера ячеек эвтектики на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дисперсности ячеек матрицы наблюдается в чугунах с объёмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержанием дендритов (> 45 %), т. е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость прочности (ов) чугуна от диаметра ячеек эвтектической матрицы (-ОЯЧ)
Следующий принцип композиционного упрочнения ВКМ требует, чтобы в композите прочность волокон была больше прочности матрицы (ов ВОЛОКНО >> ов МАТРИЦА).
В сером чугуне при кристаллизации происходит обогащение дендритов первичного аустенита графитизирующими элементами, которые повышают активность углерода (ас), при этом карбидостабилизирующие элементы (которые снижают ас) обогащают эвтектическую составляющую. Такие особенности микроликвации компонентов вызывают перепад активности углерода Дас между микроликвационными зонами «дендрит - эвтектика». Чугун стремится к выравниванию активности углерода, но из-за низкой диффузионной подвижно-
Ш v j ¿¿г tri /ДК = 35.4 5
\ 1 fei J ■ v" iN« ■■ ■ >■15 Г. "Н /ДК = 15.25 я-
/дк = 5- 5...6 /дк = 45.5- щ ■ ■ щ ■ ■ л ■
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
сти компонентов выравнивание ас осуществляется только за счёт массопереноса самого углерода из дендритов в эвтектику. Образовавшаяся ликвационная поляризация элементов обладает повышенной стойкостью и сохраняется при охлаждении как до интервала эвтектоид-ного превращения, так и до комнатной температуры, а также сохраняется и усугубляется при последующих повторных технологических или эксплуатационных докритических нагревах чугунных отливок .
Данная особенность микроликвационного распределения элементов снижает не только армирующую способность дендритного каркаса, но и прочность чугуна в целом. Так как эвтектоидное превращение формирует в дендритах вместо сорбитообразного перлита с прочностью 800 МПа, менее дисперсный, а следовательно, менее прочный перлит, или свободный феррит с прочностью менее 400 МПа . В работе было установлено, что разупрочняющее действие феррита, расположенного в первичных дендритах, в 15 - 20 раз сильнее, чем феррита, находящегося в эвтектической матрице.
Осуществление условия (ов
А) возможно, например, за счёт применения
низкомарганцевого чугуна со сбалансированно сниженным содержанием Si, что уменьшает склонность к ферритизации и разупрочнению дендритных ветвей . Однако при металлографических исследованиях промышленных серых чугунов были обнаружены дендритные ветви с сорбитом в сердцевине (НУ 269 - 316), который окружен ферритной (НУ 128 - 98), или перлитной (НУ 239) оболочкой (рис. 6 а, б).
Рис. 6. Структура дендритных кристаллов с сорбитообразным перлитом (а), х 100, и фрагменты ветвей (б) в ферритной (верх) и перлитной (низ) оболочках, х 500. Перераспределение углерода в сечении аномальных дендритов при термическом воздействии, х 500:
в - литая структура; г - обезуглероживание каймы. (Травление 4 % HNO3)
Термическая стойкость сорбита в центральных зонах дендритов аномального строения оказалась намного выше, чем перлита в штатных дендритах. И даже при полной ферритизации оболочек грубопластинчатого перлита (рис. 6, в, г), сопровождающейся резким падением в этих зонах значений микротвёрдости, а следовательно, и их прочности, прочность внутренних зон за счет стабильной сорбитообразной структуры сохранялась практически неизменной.
Аномальные дендритные структуры были обнаружены и в чугуне ваграночной плавки (1 плавка на 148 исследованных) и в электропечном чугуне (3 плавки на 106 исследованных) или 0,67 % и 2,83 % соответственно.
В чугуне также необходимо выполнение ещё одного принципа композиционного упрочнения: условия реализации прочной связи между упрочняющими волокнами и матрицей.
Исследования, проведенные с использованием растровой электронной микроскопии, показали, что армирующие дендриты, являясь наиболее прочными структурными элементами, не в полной мере воспринимают разрушающие напряжения и как бы «отслаиваются» от малопрочной эвтектической матрицы (рис. 7). На поверхности разрушения обнажается, по существу, неразрушенный дендритный каркас, наблюдаются выступающие дендритные ветви и регулярно расположенные полости, из которых дендритные ветви «выдернулись», т. е. в чугуне проявляются особенности разрушения, характерные для волокнистых композитов.
Рис. 7. Поверхность разрушения чугуна:
а - армирующая дендритная структура на поверхности излома, световая микроскопия, х10; б - выступающие армирующие дендриты, х 50; в - полости от "выдернувшихся" дендритов, растровая электронная микроскопия - РЭМ 250, х 100
Выполнение требования - усиления связи дендритов и эвтектической матрицы -также возможно реализовать за счет формирования в чугуне аномальной дендритной структуры в виде сорбитообразных дендритных ветвей окруженных сплошной «буферной» ферритной или перлитной оболочкой.
Принципиально важным представляется тот факт, что у всех заготовок чугуна с аномальной структурой дендритов была обнаружена совершенно одинаковая ферритно-графитовая эвтектика с вырожденной формой междендритного графита (рис. 6).
Крайне нежелательная, с точки зрения влияния на прочность чугуна, морфология графита в ферритной матрице, тем не менее, не проявила себя отрицательно в анализируемых композициях. Более того, сравнительно высокие значения прочности в пределах 245-290 МПа при относительно низкой твердости НВ 184-217 МПа обеспечивали этим чу-гунам хорошие показатели качества К = св / НВ.
Изучение истинной формы графита методом просвечивающей микрорентгенографии тонких фольг чугуна показало его монокристальное строение в объёме каждой эвтектической ячейки и "непрорастание" через границу в соседние ячейки (рис. 8).
Рис. 8. Характер графита в чугуне с аномальной вторичной структурой дендритов, х 100:
а - оптическая микроскопия; б - просвечивающая микроскопия Хотя этого нельзя обнаружить при изучении оптической микроскопией, определяющей только их размер, который в аномальных чугунах был достаточно большой.
Обнаружено, что дисперсность аномальных дендритных структур достаточно низкая, так как расстояние между ветвями второго порядка X аномальных дендритов составляет 34 мкм, а чугуна штатной кристаллизации 25. Толщины дендритных ветвей с оболочками превышают размеры ветвей в штатных образцах чугуна примерно в 1,4 - 1,8 раза .
Проведенные исследования позволили установить, что термокинетические условия кристаллизации в качестве возможной причины формирования аномальных дендритов не являются определяющим фактором.
Однородные ферритные оболочки (рис. 9, а) аномальных дендритов при цветном травлении (рис. 9, в) приобретают неоднородную окраску, которая характеризует, что внутренняя часть оболочки аномального дендрита содержит кремния меньше, чем центр дендрита, а наружная его превышает.
Рис. 9. Микроликвационная неоднородность аномальных дендритных ветвей чугуна,
ферритная оболочка:
а - травлено ниталем, х 100; б - травление в кипящем пикрате натрия х 100; в - нутренняя граница аномального дендрита х 2500
Внутренняя высокоугловая граница (рис. 9, в), отделяющие внешние оболочки от центра в дендритном кристалле, имеет достаточную толщину, хотя и появляется только в некоторых ветвях как с ферритными, так и с перлитными оболочками. Также при анализе были идентифицированы ветви без внутренних высокоугловых границ. Установлено, что при этом всегда визуально отличимой остаётся тонкая внешняя ферритная оторочка, которая окрашена так же, как эвтектический аустенит, но не образует внутри дендрита видимой границы. Она сливается с фоном при обычном травлении и отсутствует у дендри-тов штатной кристаллизации.
Построенные на основании визуальных оценок изменения цвета и интенсивности окрашивания варианты примерных профилей сегрегационных кривых показали качественный характер сегрегации Si по сечению ветвей в аномальных дендритах (рис. 10). Скачкообразное изменение концентрации Si свидетельствует о многослойном строении аномальных ветвей, включающем в себя последовательно затвердевшие элементы трёх микроликвационных зон: дендритов первичного аустенита, избыточного аустенита внутренней оболочки и осажденного аустенита внешней оболочки.
К концу дендритного роста оставшаяся междендритная жидкость чугуна всё ещё не достигает эвтектической концентрации, и из неё выделяется избыточный аустенит, осаждаясь на первичных дендритах. И хотя к началу эвтектического превращения наслоение избыточного аустенита из междендритной жидкости завершает формирование обо-
Полученные результаты были в дальнейшем подтверждены данными микрорентге-носпектрального анализа . Сканограммы распределения кремния, марганца и серы представлены на рис. 10.
Рис. 10. Качественный характер сегрегации элементов по сечению ветвей
в аномальных дендритах:
а - качественная схема изменения сегрегации Si по радиусу аномального дендритного кристалла при последовательной смене механизмов роста твёрдой фазы: 1 - первичный аустенит (непрерывный рост); 2 - избыточный аустенит (послойный рост); 3" - осажденный аустенит; 3 - эвтектическая смесь; б - изменение интенсивности характеристического излучения элементов (Мп, Si и S) дендритах аномального строения. Справа увеличенный фрагмент скано-граммы участка трассы с усреднением сегрегационной кривой кремния
Таким образом, по профилю сегрегационных кривых удалось идентифицировать разные механизмы роста твёрдой фазы, сменяющие друг друга в условиях реального з а-твердевания технических чугунов.
Дальнейшие исследования выполнялись в рамках допущений гипотезы о термодинамической природе обнаруженных аномалий дендритной структуры. Предположили, что наиболее вероятно возникновение в чугуне аномального строения дендритных кристаллов связано с блокировкой дендритного роста поверхностно - активными примесями.
Анализ химического состава каждого из чугунов, имеющих такую структуру (рис.6), выявил наличие примесей обладающих положительной адсорбцией по Гиббсу, суммарное количество которых вполне могло стать причиной преждевременного блокирования дендритного роста (табл. 1).
Таблица 1
Аs 8п РЬ 2п Б1 8е В
0,006 - 0,008 0,006 -0,009 0,001 0,001 -0,004 0,005 - 0,008 0,001 0,001 -0,005 0,001
Полученные данные (табл. 1) позволили подобрать состав комплексной добавки, введенной в расплав чугуна, и получить дендриты аномального строения (рис. 6). При этом прочность полученный чугунов находились в пределах марок СЧ 30 - СЧ 35, а штатных чугунов марок СЧ 20 - СЧ 25.
На основе проведенных исследований установлена значимость параметров первичной структуры серого чугуна, ответственных за повышение прочности в чугунных отливках. Показано, что объёмная доля дендритов в промышленных чугунах изменяется от 15 до 65 %. При этом при прочих равных условиях с ростом количества дендритных кристаллов в объёме материала прочность чугуна увеличивается, но только до некоторого предела (~ 45 %), что определяется распределением дендритов в объёме материала относительно приложенной нагрузки и их строением. Дальнейшее увеличение количества дендритов в материале не влияет на изменение величины прочности в сторону понижения или повышения его значения.
Показано, что в промышленных композициях чугуна с разным количеством дендритов степень влияния размера ячеек эвтектической матрицы на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дисперсности ячеек эвтектики наблюдается в чугунах с объёмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержанием дендритов (> 45 %), т. е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно.
Проведенные исследования выявили ранее неизвестные пути трансформации дендритной структуры чугуна, основанные на взаимосвязи между его составом и закономерностями структурообразования, что позволило разработать на этой основе новый метод регулирования прочностных свойств чугунных отливок.
1. Гиршович, Н. Г. Первичная структура как критерий оценки механических свойств серого чугуна / Н. Г. Гиршович, А. Я. Иоффе, Г. А. Косников // Прогрессивное формообразование, металловедение и термическая обработка. Ленингр. дом науч.- техн. пропаганды. 1968. - 30 с.
2. Паттерсон, В. Микроструктура чугуна и его свойства // 29-й Международный конгресс литейщиков. - М.: Машиностроение, 1967. С. 55-63.
3. Троицкий, Г. Н. Свойства чугуна / Г. Н. Троицкий; под ред. М. Г. Окнова. - Ленинград -Москва: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии 1941. - 290 с.
4. Ильинский, В. А. О композитном характере структуры кристаллизации чугунов с различной степенью эвтектичности / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева // Изв. АН СССР. Металлы.
1986. № 5.C. 116-118.
5. Литвиненко, М. Н. Перспективы формирования в чугунных отливках структуры и свойств композиционного материала / М.Н. Литвиненко [и др.] // Литейное производство. 1994. № 12. С. 7-9.
6. Ильинский, В. А. Зависимость прочности серого чугуна от его первичной структуры / В.А. Ильинский, Л. В. Костылева // Литейное производство. 1997. № 5. С. 25-26.
7. Ильинский, В. А. Закономерности микроликвации в железоуглеродистых сплавах и новые возможности литейной технологии / В. А. Ильинский, А. А. Жуков, Л. В. Костылева // 55-й Международный конгресс литейщиков. - М., 1988. C. 1-11.
8. Конструкционные материалы: справочник / Б. Н. Арзамасов [и др.]; под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.
9. Эллиотт, Р. Управление эвтектическим затвердеванием / Р. Эллиотт // Москва: Металлургия.
10. Палаткина, Л. В. Исследование аномалий дендритной структуры чугуна / Л. В. Палаткина, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский // Металлы. 2010. № 03. С. 35-41.
11.Ильинский, В. А. Исследование микроликвационной неоднородности дендритных ветвей серого чугуна / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина // Металлургия машиностроения. 2009. № 06. C. 9-15.
Дата поступления в редакцию 13.04.2012
FEATURES OF STRUCTURIZATION IN GREY PIG-IRON
Volgograd State Technical University
The analysis of primary structure of pig-iron is made and the possible variant of its transformation influencing durability growth in pig-iron castings is considered.
Key words: gray pig-iron, composite hardening, dendrite, eutectic, activity of carbon (ас), durability.
Нервная ткань, состоящая из нейронов и нейроглии, выполняет комплекс наиболее сложных и ответственных функций: в ней возникают слабые электрические импульсы, которые затем передаются в мышцы и органы человека или позвоночных животных. Клетки этой ткани имеют специальное строение. Оно обеспечивает как возникновение процессов возбуждения и торможения, так и их проведение. В нейробиологии есть такое определение: дендриты - это отростки нервной клетки, которые воспринимают и передают информацию к телу нейрона. В данной работе мы ознакомимся с современными представлениями о механизмах передачи в основных отделах нервной системы: головном и спинном мозге, а также изучим строение дендрита как одной из составных частей нейроцитов.
Для этого рассмотрим более детально особенности структуры нейрона, являющегося элементарной единицей нервной ткани.
Как строение нейроцита связано с его функциями
Подтвердили факт высокой специализации и сложного устройства открытой биологической системы, названной нервной клеткой. Она содержит тело (сому), одну длинную ветвь - аксон и множество коротких отростков. Каждый из них соединен с цитоплазмой тела нейрона. Это дендрит. Структура и внешний вид совокупности коротких отростков напоминает крону дерева. По ним к телу нейрона через синапсы поступают биоэлектрические потенциалы от других нервных клеток.
Морфология и типы
Согласно современным исследованиям гистологии, дендриты - это ветвящиеся окончания нейроцита, не только принимающие, но и передающие информацию, закодированную в виде электрических импульсов, по многоканальной системе анатомически и функционально взаимосвязанных нервных клеток. Они содержат большое количество белоксинтезирующих органелл - рибосом. Некоторые виды коротких отростков, например в пирамидальных нейроцитах, покрыты специальными структурами - шипиками.
Согласно классификации, предложенной испанским нейрогистологом С. Рамон-и-Кахалем, два дендрита могут отходить от тела нервной клетки в противоположные стороны (двухполярные нейроциты). Если же дендритов много, то они расходятся от сомы радиально. Такое строение характерно для интернейронов. В мозжечковых клетках Пуркинье отростки выходят из тела нейроцита в виде веера. Каждый дендрит, структура которого трехмерна, отличается от соседних ветвей величиной электрических зарядов, аккумулированных на нем.
На что влияет разветвленность нервных отростков
Тело нейрона является универсальным передающим и одновременно принимающим биологическим объектом. Объем (прежде всего поступающей информации) прямо пропорционален количеству входящих нервных импульсов. Они определяются по степени ветвления дендритного дерева. Поэтому дендриты - это структуры нейроцита, играющие интегративную функцию.
Более того, отростки расширяют площадь контакта нервных клеток между собой. Дополнительное же образование синапсов в разы повышает эффективность работы всех отделов, как головного и спинного мозга, так и нервной системы в целом.
Строение дендрита
На основании изучения микроскопических препаратов нервных клеток установили, что большинство отростков имеют цилиндрическую форму. Их диаметр в среднем составляет 0,9 мкм. Длина дендритов варьирует в широких пределах. Например, звездчатые нейроны серого вещества коры головного мозга имеют короткие (не более 200 мкм) ветви дендритного дерева, тогда как отростки двигательного нейрона, входящего в передние рога спинного мозга, составляют порядка 2 мм.
Специальные образования - шипики, формирующиеся на ветвях нейроцитов, приводят к появлению большого числа синапсов - щелевидных мест контакта с аксоном, дендритом или сомой другого нейрона. Синапсы могут располагаться на теле дендрита и называются стволовыми или же непосредственно на его шипиках. Как мы уже знаем, дендриты - это разветвленные отростки нейроцитов, способные принимать возбуждение. Передача же биопотенциалов происходит в них с помощью молекул химических соединений - медиаторов, например, ГАМК или ацетилхолина. В мембране, покрывающей дендрит, обнаружены ионные каналы, избирательно пропускающие катионы кальция, натрия и калия, участвующие в прохождении нервных импульсов через нейрон.
Как информация поступает в нервную клетку
В процессе передачи электрических зарядов, лежащей в основе возбуждения и торможения, наряду с аксоном участвуют и дендриты. Это которые образуют синапсы с ветвями дендритного дерева других нейроцитов. Опытным путем установлено, что дендриты представляют собой выросты цитоплазмы клетки, покрытые мембраной. В ней возникают слабые электрические импульсы - потенциалы действия.
Благодаря системе коротких отростков одна нервная клетка воспринимает и передает несколько тысяч таких импульсов, генерируемых синапсами. Это не единственная функция дендритов. Они также обрабатывают и объединяют информацию, поступающую в нейроны, что обеспечивает регуляцию и контроль, осуществляемый нервной системой над всеми органами и тканями человеческого организма.
Искусственная нейронная сеть - это модель, имитирующая работу нервных клеток живого организма, и представляющая собой систему из соединённых и взаимодействующих между собой искусственных нейронов. Искусственный нейрон упрощённо моделирует работу биологического нейрона. У каждого искусственного нейрона есть набор входов, передающих входные сигналы разной интенсивности, тело, состоящее из сумматора и функции активации, и единственный выход, интенсивность сигнала которого и есть результат обработки входных сигналов.
Как правило, искусственные нейросети моделируются послойно: на первый слой нейронов передаются входные данные, затем используется один или более скрытых слоёв и, наконец, выходной слой показывает результат. Возвращаясь к примеру с распознаванием цифр: если взять число признаков порядка 100, то входной слой будет состоять из 100 нейронов, затем последуют несколько скрытых слоёв нейросети, а выходной слой может содержать 10 нейронов. Эта простая и изящная схема компоновки достаточно примитивных вычислительных блоков вместе со специальными методами обучения открывает большие возможности для обработки данных.
Как они обучаются?
Обучение с учителем. В этом случае сети подаются на вход данные из некоторого обучающего набора. В нашем примере это признаки объектов, которые преобразуются в интенсивность сигналов входных нейронов. Затем сигналы суммируются и активируют скрытые нейроны. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока не будет достигнут выходной слой нейросети. Сигналы нейронов можно трактовать как ответ на некий вопрос, например, о принадлежности изображения какому-то классу. Если это ответ правильный, то переходят к следующему образцу, в противном случае происходит процесс обратного распространения ошибки. Это можно трактовать так: учитель поставил свою оценку за этот ответ, и нужно выучить новое правило. Если параметры нейросети подобраны верно, то, обработав достаточное количество обучающих образцов на входе, нейросеть становится способна классифицировать незнакомые объекты. В нашем примере можно собрать изображения чисел от 0 до 9, написанные множество раз и разными людьми. Это будет обучающий набор. Он делится на две части: одна используется для обучения классификатора, а вторая - контрольный набор - для проверки качества работы классификатора и для вычисления ошибок.
Обучение без учителя. При поступлении нового образца данных нейросеть пытается найти наиболее «похожий» образец из ранее обработанных и «объединяет» своё представление о целой группе образцов. Если встречается что-то действительно уникальное, это можно трактовать как выделение сетью нового кластера. Здесь никто не контролирует результат. Это используется для грубой оценки структуры данных. То есть мы показали сети 10000 изображений рукописных цифр, она сказала, что примерно может разбить их на 20-30 различных типов объектов. Верно ли это? Возможно верно, она уловила закономерности почерка и особенности написания цифр. Можем ли мы использовать это на практике? Не всегда, всё-таки чтобы распознать цифры, нам надо ограничить фантазию классификатора 10 классами цифр. Обучение без учителя используется для поиска зависимостей в больших объёмах необработанных и несистематизированных данных. Например, в медицине. Есть огромное число особенностей каждого пациента: уровень сахара в крови, артериальное давление, рост, вес, возраст, вредные привычки, наследственные болезни. Вручную выявлять закономерности очень сложно и трудоёмко. А так - анализ данных подскажет, что можно связывать сердечно-сосудистые заболевания с приёмом некоторого лекарства, и тому подобное.
В нашем мозгу 100 млрд. нейронов – это больше, чем звезд в нашей галактике! Каждая клетка в свою очередь может дать 200 тыс. ответвлений.
Таким образом, мозг имеет огромные ресурсы, чтоб хранить воспоминания объемом примерно за 3 млн. лет. Учёные называют это «волшебными деревьями разума», потому что нервные клетки мозга похожи на ветвистые деревья.
Мысленные электрические импульсы между нейронами передаются через синапсы – зоны контакта между нейронами. Средний нейрон человеческого мозга имеет от 1000 до 10000 синапсов или контактов с соседними нейронами. Синапсы имеют небольшую щель, которую должен преодолеть импульс.
Когда мы учимся, мы меняем работу мозга, прокладывая новые пути для мысленных электрических импульсов. При этом электрический сигнал должен «перепрыгнуть» через щель синапса для образования новых связей между нервными клетками. Эту дорогу ему труднее всего пройти первый раз, но по мере обучения, когда сигнал преодолевает синапс снова и снова, связи становятся все «шире и прочнее», растет число синапсов и связей между нейронами. Образуются новые нейронные микросети, в которые и «встраиваются» новые знания: убеждения, привычки, модели поведения. И тогда мы, наконец, чему-то научились. Эту способность мозга называют нейропластичностью.
Именно число микросетей в мозгу, а не его объем или масса, имеют определяющее влияние на то, что мы называем интеллект.
Попутно хочу заметить, что в раннем детстве, когда проходит самый интенсивный период обучения, для ребенка крайне важна богатая и разнообразная развивающая среда.
Нейропластика – это одно из самых удивительных открытий последних лет. Раньше считалось, что нервные клетки не восстанавливаются. Но в 1998 году группа американских ученых доказала, что нейрогенез происходит не только до 13-14 лет, но и всю нашу жизнь, и что у взрослых людей тоже могут появляться новые нервные клетки.
Они установили, что причиной уменьшения наших умственных способностей с возрастом является не отмирание нервных клеток, а истощение дендритов, - отростков нервных клеток, через которые проходят импульсы от нейрона к нейрону. Если дендриты постоянно не стимулировать, то они атрофируются, теряя способность к проводимости, словно мышцы без физической нагрузки.
Одни и те же ежедневные действия формируют шаблонное поведение - наши привычки, - при этом используются и укрепляются одни и те же нейронные связи. Так происходит встраивание нашего «автопилота», но при этом страдает гибкость нашего мышления.
Наш мозг нуждается в упражнениях. Необходимо каждый день менять рутинные и шаблонные действия на новые, непривычные вам, которые задействуют несколько органов чувств ; выполнять обычные действия необычным способом, решать новые проекты, стараясь уходить от «автопилота» привычных схем. Привычка ослабляет способности мозга. Для продуктивной работы ему нужны новые впечатления, новые задачи, новая информация, – одним словом – перемены.
До 1998 года считалось, что рост дендритов происходит только в раннем возрасте, но исследования доказали, что и у взрослых людей нейроны способны выращивать дендриты для компенсации потерянных старых. Доказано, что нейронные сети способны меняться в течение всей жизни человека и наш мозг хранит в себе огромные ресурсы нейропластичности – способности менять свою структуру.
Известно, что наш мозг состоит из эмбриональной ткани, то есть той, из которой состоит эмбрион. Поэтому он всегда открыт для развития, обучения и для будущего.
Мозг способен простой мыслью, воображением, визуализацией изменять структуру и функцию серого вещества. Ученые убеждаются, что это может происходить даже без внешних воздействий. Мозг может меняться под властью тех мыслей, которыми он наполнен, ум в силах влиять на мозг. Наш мозг создан природой с расчетом на обучение и подобные изменения.
В Библии сказано: «Преобразуйтесь обновлением ума вашего».
Все вышесказанное подводит нас к пониманию того, что для реального достижения целей требуется фундаментальное изменение способа работы вашего мозга – преодоление генетической программы и прежнего воспитания со всеми многолетними убеждениями. Вы не просто должны лелеять мысли в своем воображении, которые присутствуют не дольше новогоднего «все, больше не пью», а переучивать свой мозг, создавая новые нейронные структуры. Нейрологи говорят: «Нейроны, которые вместе сходятся, вместе и водятся». Новые нейронные структуры вашего мозга будут создавать совершенно новые сети, «блок-схемы», приспособленные для решения новых задач.
«Ваша задача - перекинуть мост через пропасть между вами и желаемыми целями».
Эрл Найтингейл
Метафорически этот процесс можно иллюстрировать на следующем примере. Представьте, что ваш мозг с его ограничивающими убеждениями – это стакан с мутной водой. Если бы вы сразу выплеснули грязную воду, помыли стакан и набрали чистую – это был бы шок для всего организма. Но, подставив стакан по струю чистой воды, вы постепенно замените мутную.
Точно так же для обучения мозга новому образу мыслей нет нужды резко «стирать» старый. Необходимо постепенно «заливать» подсознание новыми позитивными убеждениями, привычками и качествами, которые в свою очередь будут генерировать эффективные решения, приводя вас к нужным результатам.
Для поддержания высокой работоспособности нашему мозгу, как и телу, необходима «физзарядка». Профессор нейробиологии Лоуренс Кац (США) разработал комплекс упражнений для мозга – нейробику, позволяющую нам иметь хорошую «ментальную» форму.
Упражнения нейробики обязательно используют все пять чувств человека - причем, необычным образом и в разных комбинациях. Это помогает создавать в мозгу новые нейронные связи. При этом наш мозг начинает вырабатывать нейротропин, вещество, способствующее росту новых нервных клеток и связей между ними. Ваша задача -каждый день менять привычные и шаблонные действия на новые, непривычные.
Цель упражнений нейробики - стимуляция мозга. Заниматься нейробикой просто - нужно сделать так, чтобы в процессе привычной деятельности по-новому были задействованы ваши органы чувств.
Например:
- проснувшись утром, примите душ закрытыми глазами,
- почистите зубы другой рукой,
- постарайтесь одеться на ощупь,
- отправьтесь на работу новым маршрутом,
- сделайте привычные покупки в новом месте и еще много чего.
Это увлекательная и полезная игра.
Нейробика полезна абсолютно всем. Детям она поможет лучше концентрироваться и усваивать новые знания, а взрослым - поддерживать свой головной мозг в отличной форме и избежать ухудшения памяти.
Главный принцип нейробики - постоянно изменять простые шаблонные действия.
Давайте задание своему мозгу решать привычные задачи непривычным для него образом, и постепенно он отблагодарит вас прекрасной работоспособностью.
Итак, мы способны обучать свой мозг новому образу мышления. Начав менять свои шаблоны и убеждения, вы увидите, что меняясь изнутри, вы начнете менять все вокруг, словно порождая эффект расходящихся волн.
Помните: внешний Успех всегда есть производная от Успеха внутреннего.
Иисус учил: «Как вы мыслите, так вам и будет».
Так создается новая «Матрица» вашего мышления, которая ведет вас к Переменам.
Нейронные сети – это одно из направлений исследований в области искусственного интеллекта, основанное на попытках воспроизвести нервную систему человека. А именно: способность нервной системы обучаться и исправлять ошибки, что должно позволить смоделировать, хотя и достаточно грубо, работу человеческого мозга.
или нервная система человека – это сложная сеть структур человека, обеспечивающая взаимосвязанное поведение всех систем организма.Биологический нейрон – это специальная клетка, которая структурно состоит из ядра, тела клетки и отростков. Одной из ключевых задач нейрона является передача электрохимического импульса по всей нейронной сети через доступные связи с другими нейронами. Притом, каждая связь характеризуется некоторой величиной, называемой силой синаптической связи. Эта величина определяет, что произойдет с электрохимическим импульсом при передаче его другому нейрону: либо он усилится, либо он ослабится, либо останется неизменным.
Биологическая нейронная сеть обладает высокой степенью связности: на один нейрон может приходиться несколько тысяч связей с другими нейронами. Но, это приблизительное значение и в каждом конкретном случае оно разное. Передача импульсов от одного нейрона к другому порождает определенное возбуждение всей нейронной сети. Величина этого возбуждения определяет реакцию нейронной сети на какие-то входные сигналы. Например, встреча человека со старым знакомым может привести к сильному возбуждению нейронной сети, если с этим знакомым связаны какие-то яркие и приятные жизненные воспоминания. В свою очередь сильное возбуждение нейронной сети может привести к учащению сердцебиения, более частому морганию глаз и к другим реакциям. Встреча же с незнакомым человеком для нейронной сети пройдет практически незаметной, а значит и не вызовет каких-либо сильных реакций.
Можно привести следующую сильно упрощенную модель биологической нейронной сети:
Каждый нейрон состоит из тела клетки, которое содержит ядро. От тела клетки ответвляется множество коротких волокон, называемых дендритами. Длинные дендриты называются аксонами. Аксоны растягиваются на большие расстояния, намного превышающее то, что показано в масштабе этого рисунка. Обычно аксоны имеют длину 1 см (что превышает в 100 раз диаметр тела клетки), но могут достигать и 1 метра.
В 60-80 годах XX века приоритетным направлением исследований в области искусственного интеллекта были . Экспертные системы хорошо себя зарекомендовали, но только в узкоспециализированных областях. Для создания более универсальных интеллектуальных систем требовался другой подход. Наверное, это привело к тому, что исследователи искусственного интеллекта обратили внимание на биологические нейронные сети, которые лежат в основе человеческого мозга.
Нейронные сети в искусственном интеллекте – это упрощенные модели биологических нейронных сетей.
На этом сходство заканчивается. Структура человеческого мозга гораздо более сложная, чем описанная выше, и поэтому воспроизвести ее хотя бы более менее точно не представляется возможным.
У нейронных сетей много важных свойств, но ключевое из них – это способность к обучению. Обучение нейронной сети в первую очередь заключается в изменении «силы» синаптических связей между нейронами. Следующий пример наглядно это демонстрирует. В классическом опыте Павлова, каждый раз непосредственно перед кормлением собаки звонил колокольчик. Собака достаточно быстро научилась ассоциировать звонок колокольчика с приемом пищи. Это явилось следствием того, что синаптические связи между участками головного мозга, ответственными за слух и слюнные железы, усилились. И в последующем возбуждение нейронной сети звуком колокольчика, стало приводить к более сильному слюноотделению у собаки.
На сегодняшний день нейронные сети являются одним из приоритетных направлений исследований в области искусственного интеллекта.
