авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 |

Вязкость и удельное электросопротивление расплавов алюминия с литием, лантаном и церием

-- [ Страница 2 ] --


В третьей главе приводятся результаты исследования температурных и концентрационных зависимостей вязкости и удельного электросопротивления жидкого алюминия и сплавов на его основе Al-Li (La, Ce, Ga, In, Sn, Pb, Bi) и Al-Li-La(Ce). Предлагается использовать результаты вискозиметрических исследований для построения линий фазовых равновесий.

Полученные нами значения вязкости и электросопротивления алюминия хорошо согласуются с результатами некоторых авторов, но существенно расходятся с другими (рис. 2, 3). В связи с тем, что во многих работах других авторов детали измерений либо не указаны, либо приведены лаконично, то для оценки их достоверности возникла необходимость выбора критерия оценки качества различных экспериментов. В качестве токового мы предлагаем использовать согласованность полученных значений вязкости с данными по плотности и поверхностному натяжению жидких металлов, которые должны быть связаны между собой на основе уравнений Борна-Грина-Боголюбова и Фаулера.

, (1)

где – кинематическая вязкость, – динамическая вязкость, d – плотность, –поверхностное натяжение, М – молярная масса, V – атомный объем, Т – температура, m – масса.

Мы обратили внимание на отсутствие особенностей на температурных зависимостях свойств жидкого алюминия, поскольку в работах некоторых авторов такие особенности были обнаружены. Аномалии на температурных зависимостях вязкости нами не обнаружены (рис. 2)

Рис.2. Температурная зависимость вязкости жидкого алюминия, по данным разных авторов: 1-Рябина, 2,5-Швидковский, 3,7-Мануэль, 6-Гебхард, 4-Коледов, 8-наши данные.

Электросопротивление алюминия возрастает с ростом температуры по линейному закону, не обнаруживая аномалий во всем изученном интервале температур (рис. 3.).



Рис.3. Температурная зависимость удельного электросопротивления жидкого алюминия: 1-Наши данные, 2-Рябина, 3-Ролл, 4-Регель

Для исследования и сравнения влияния небольшого количества Li, La, Ce, Ga, In, Sn, Pb, Bi на вязкость и удельное электросопротивление алюминия, охвачены интервалы составов до 2 ат.% компонентов в алюминии. Исследуемый расплав во всех экспериментах находился в предварительно вакуумированной и запаянной ампуле.

Результаты в виде зависимости изменений вязкости и удельного электросопротивления жидкого алюминия от концентрации введенных в него при 1273 К добавок представлены на рис. 4, 5. Как видно из рис. 4, легкоплавкие металлы снижают, а Li, La и Ce повышают вязкость алюминия, хотя и незначительно. Удельное электросопротивление алюминия при введение в него этих же количеств всех исследованных металлов увеличивается.

Снижение вязкости при введении в жидкий алюминий легкоплавких элементов согласуется с использованием нами критерием корректности полученных данных: эти же элементы снижают и поверхностное натяжение жидкого алюминия. С технологической точки зрения важно, что в обоих случаях при легировании не происходит существенное изменение вязкости расплава от ее величины. Это позволило нам в дальнейшем при разработке технологии первичного диспергирования расплава сохранить основные технологические параметры, используемые при производстве порошков из чистого алюминия.



 Изменение кинематической вязкости-4

Рис. 4. Изменение кинематической вязкости алюминия () при введении в него около 2 ат.% легкоплавких металлов, лития, лантана и церия при температуре 1273 К.

 Изменение удельного-8

Рис. 5. Изменение удельного электросопротивления алюминия при введении в него около 2 ат.% легкоплавких металлов, лития, лантана и церия при температуре 1273 К.

На рис. 6 а, в координатах lnv = f(1/T) представлены политермы вязкости расплавов системы Al-Li в режиме охлаждения и вторичного нагрева. Как видно из рис. 6 в пределах погрешности эти зависимости линейны. Для всех составов характерны более высокие значения кинематической вязкости по сравнению с чистым алюминием. При содержании лития от 1.1 до 16 ат%, вязкость алюминия возрастает от 1% до 30% соответственно.

Для системы А1-Li характерно сильное взаимодействие компонентов, о чем свидетельствует наличие на диаграмме состояния системы Al-Li ряда химических соединений и отрицательные отклонения термодинамических свойств расплавов от закона Рауля. Вблизи Тпл для расплавов характерен ближний порядок типа соединения. Единицами вязкого течения, по-видимому, будут наряду с ионами алюминия и комплексы АlxLiy. Меньшая подвижность такого комплекса по сравнению с ионами растворителя и приводит к увеличению вязкости расплавов.

Удельное электросопротивление сплавов алюминия с литием было исследовано при той же температуре и концентрации, что и вязкость. На рис. 6 б представлены зависимости удельного электросопротивления от температуры в режиме охлаждения и вторичного нагрева. Полученные результаты в обоих случаях хорошо согласуются и в пределах погрешности меняются линейно. С увеличением содержания лития в алюминии электросопротивление последнего непрерывно возрастает. Возрастание электросопротивления расплавов происходит, по-видимому, вследствие образования устойчивой химической связи в комплексе AlxLiy, для чего требуется определенное количество носителей заряда.

Полученные значения вязкости и электросопротивления были обработаны методом наименьших квадратов и описаны классическими кривыми – экспоненциальной и линейной соответственно:

(1)

=Tпл+(d/dT)(T-Tпл) (2)

где А — предэкспоненциальный множитель в уравнении Аррениуса; R — универсальная газовая постоянная; Т — температура; Tпл — значение электросопротивления при Тпл; d/dT — температурный коэффициент.

Таблица 2

Температуры ликвидуса Тл, предэкспоненциальный множитель А, энергия активации вязкого течения Еv, удельное электросопротивление Tл, температурный коэффициент электросопротивления d/dT

Li, ат.% Тл, K A·10-8, м2/с Tл·10-8, (d/dT)·10-10,
Ev, Дж/(моль·К) Ом·м Ом·м/К
1.1 932 12.51±0.12 10177±219 26.43 1.52±0.04
3.3 931 13.74±0.12 10155±220 30.54 1.70±0.01
5.4 929 15.75±0.13 9739±150 34.59 1.88±0.02
7.2 927 19.18±0.28 8642±170 40.
2
1.49±0.04
9.6 925 23.21±0.15 7728±210 42.1 1.78±0.02
13.2 920 27.36±0.13 6997±220 47 1.88±0.03
16 917 28.8±0.17 6897±200 50.4 1.93±0.02

Рис. 6. Температурная и концентрационная зависимости логарифма вязкости и удельного электросопротивления расплавов системы Al-Li

Исследование вязкости и удельного электросопротивления тройных систем Al-Li-La и Al-Li-Ce проводили, изменяя концентрацию лития до 15 ат.% по отношению к сплавам Аl-2 ат% La и Al-2 ат% Ce. Для приготовления сплавов использовали La марки ЛаМ-1 и Се марки ЦеМ-1 с содержанием основного металла 99,85%. Примесями в лантане и церии были (по данным химического анализа): Fe (10-4 – 10-5%), Ca (10-4 – 10-5%), Cu (10-4 %), Ta (10-3 - 10-4 %), Mn (10-2 %). Около 0,1% примесей приходилось на сопутствующие РЗМ.

Температурные и концентрационные зависимости кинематической вязкости и удельного электросопротивления расплавов Al-2%La-(2,515,3%)Li и Al-2%Ce-(2,715,1%)Li (при этом содержание La и Ce по отношению к алюминию было постоянным) представлены на рис. 7 и 8. Для всех образцов характерно ветвление политерм вязкости и электросопротивления, полученных при первичном нагреве и последующем охлаждении (гистерезис), свидетельствующее о необратимом изменении их структурного состояния. Точки ветвления температурных зависимостей кинематической вязкости и удельного электросопротивления для расплавов одинакового состава близки между собой и закономерным образом изменяются с ростом концентрации второго компонента.

Вязкость всех образцов при первичном нагреве ниже, чем при последующем охлаждении. Очевидно, при нагреве сплавов в жидком состоянии происходит уменьшение размеров и количества микрогруппировок коллоидного масштаба, в которых энергия межчастичного взаимодействия значительно превышает таковую в разупорядоченной зоне. При дальнейших циклах охлаждения и нагрева уже не образуются аналогичные микрогруппировки, которые имелись при первоначальном расплавлении исследованных сплавов.




Рис. 7. Вязкость и удельное электросопротивление расплавов Al-2%La –Li

На рис. 7б и 8б представлено влияние лития на удельное электросопротивление расплавов Al-2%La и Al-2%Ce. С увеличением содержания лития электросопротивление расплавов непрерывно возрастает. Так же наблюдается ветвление при первичном нагреве и последующем охлаждении. Расхождение политерм электросопротивления исследованных сплавов связано с тем, что после разрушения микрогетерогенности коллоидного масштаба в системе сохраняются субмикроскопические неоднородности, медленное растворение которых продолжается и при охлаждении образца. На некоторым этапе растворения их размер становится соизмеримым с длиной свободного пробега электронов (порядка 0,1 – 1 нм) и происходит усиленное рассеяние носителей тока, сопровождающееся снижением электропроводности.




Рис. 8 Вязкость и удельное электросопротивление расплавов Al-2%Се-Li

В ходе измерений вязкости растворов мы обратили внимание на поведение декремента затухания колебаний подвесной системы вблизи температур, соответствующих особым точкам и линиям фазовых равновесий на диаграммах состояния. Типичный вид температурной зависимости декремента для систем с монотектикой (Al-Pb, Al-In, Al-Bi,) схематически показан на рис.9. Интервал температур (Т-Тс)- нагревание образца от температуры начала опыта (чаще всего 293 К) до температуры солидуса – Тс. Область температур (Тс-Тл) соответствует интервалу от солидуса до ликвидуса. В системах с расслоением в жидком состоянии далее наблюдается минимум декремента затухания колебаний при монотектической температуре Тм, затем его рост вплоть до купола расслаивания Тк и последующее снижение декремента с ростом температуры в области гомогенности системы.

 Схематический вид температурной-17





Рис.9. Схематический вид температурной зависимости декремента затухания колебаний подвесной системы для расплавов с ограниченной смешиваемостью компонентов: Тс - температура солидуса, Тл - ликвидуса, Тм - температура монотектического превращения, Тк - температура расслоения.

Помимо двойных систем Al-Me мы определили по точкам отклонения декремента затухания () и углу отклонения (I2/) точки фазового перехода тройного соединения Al-Li-Ce. На рис. 10 и 11 показаны типичные изменения декремента затухания () и угла отклонения (I2/) в зависимости от температуры. Как видно по декременту затухания колебаний тигля с расплавом, можно определить как линии солидуса, так и ликвидуса. По этим полученным данным были определены политермические сечения Аl-Li-Ce (рис. 12.) При этом содержание церия было постоянным и составляло 2,03 ат.% а содержание лития меняли до 15,1 ат.%.

Видно, что характерным точкам диаграммы состояния соответствуют четкие особенности декремента затухания. Этот результат привел нас к предложению использовать результаты вискозиметрических экспериментов для построения линий фазовых равновесий на диаграммах состояния. Данный метод оказался особенно эффективен в случаях, когда тепловые эффекты при фазовых переходах небольшие и их непросто фиксировать. Мы использовали его для уточнения алюминиевых углов диаграмм состояния алюминия с исследованными нами примесями, необходимого для разработки технологического режима первичного диспергирования высокодисперсных алюминиевых порошков с присадками лантана, церия и лития. Полагаем, что измерение декремента затухания колебаний будет полезным и для изучения кинетики процесса растворения различных материалов в металлических расплавах и, следовательно, контроля их устойчивости в жидкометаллической среде. Это особенно важно при разработке новых композиционных материалов.

Рис.10. Зависимость декремента затухания () тигля с расплавом от температуры для сплава Al-2 ат.%Ce-7,8 ат.%Li.

Рис.11. Зависимость величины I2/ тигля с расплавом от температуры для сплава Al-2 ат.%Ce-7,8 ат.%Li.

Рис. 12. Политермическое сечение тройной системы Al-Li-Ce с постоянным содержанием 2,03 ат.% Ce.

В четвертой главе приводится применение некоторых теорий к описанию свойств изученных металлических расплавов.

Термодинамические свойства жидкостей могут быть приближенно вычислены с помощью различных модельных теорий жидкого состояния. Одна из них – теория свободного объема.

В понятие свободного объема (Vf) выкладывается различный физический смысл. Считают, что Vf – разность объемов тела при данной температуре и в случае плотнейщей упаковки частиц (Vf при 0 К или Vf при Тпл), Vf – часть пространства, внутри которого частица может колебаться около центра равновесия и т.д. Между тем имеется возможность сравнительно строго рассчитать эту величину и, тем самым, определить степень достоверности предположений о Vf.

Традиционно жидкий металл рассматривается как среда, состоящая из ионов (молекул) и микрополостей между ними. Микрополости образуют так называемый свободный объем расплава, от величины которого зависят многие его свойства.

Объем ионов в жидком металле можно обозначить через , а объем единичной микрополости через . Суммарный объем этих микрополостей называется свободным объемом , который, очевидно, будет равен:

(1)

Известно, что в модели свободного объема статистическая сумма Z записывается в виде:

(2)

в котором все обозначения общепринятые. Поскольку

,

то уравнение состояния запишется в виде

. (3)

Из первого закона термодинамики известно, что

(4)

где , – коэффициенты объемного расширения и изотермического сжатия.

Известно также, что внутреннее давление в жидких металлах составляет значительную величину (в 103-104 раз превышающую ), т.е. давлением Р в (3) можно пренебречь ввиду его малости и записать ,

откуда следует, что

(5)

Представляет интерес сравнение величин внутреннего давления, определенных с использованием выражения (4) и традиционным методом, в котором свободный объем рассчитывается как разность объемов при данной температуре и при 0 К. Исходные данные по плотности (d), скорости звука (u) и теплоемкости (Ср ) металлов возьмем из справочной литературы. Значения скорости звука нужны для расчета коэффициента изотермического сжатия

Сопоставление показывает, что предположение приводит к аномально завышенным значениям внутреннего давления, поэтому для теоретического расчета свободного объема предпочтительнее использовать соотношение (5). Его мы и использовали для оценки точности предлагаемого ниже метода оценки величины свободного объема жидких металлов из данных вискозиметрических экспериментов.

В табл. 3. приведены значения , вычисленные тремя методами.

Таблица 3.

Внутреннее давление в жидких металлах рассчитанные по Vf

Металл Т, К Рi10-10, Па ( = ) Рi10-10, Па Рi 10-10, Па
Al Li La Ce Pr 1023 1023 1200 1080 2010 40,48 37,04 90,12 99,2 102 25,2 17,07 37,5 19,5 20,1 27,1 17,45 34,18 22,8 23.5


Pages:     | 1 || 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.