Характеристики разупорядочения кластеров металлического расплава

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ

Вип. № 13

2003р.

УДК 669.154.002.61

Скребцов А.М.*

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗУИОРЯДОЧЕИИЯ КЛАСТЕРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РАСПЛАВА

Впервые показано, что скорость распада кластеров металлического расплава при его нагреве: а) проходит через максимум; б) для разных материалов она одинаково увеличивается в зависимости от относительной температуры их нагрева. Чем больше температура ликвидус сплава, тем прочнее его кластеры и труднее происходит их распад.

Механизм разупорядочения кластеров металлического расплава связан с подготовкой его к термовременной обработке (ТВО), которая значительно улучшает служебные свойства металлопродукции [1]. Как известно, при проведении ТВО жидкий металл нагревают до определенной температуры Тр, К, при которой распадаются все кластеры и происходит полное разупорядочение его структуры. После достижения Тр и некоторой выдержки при ней расплав охлаждают по специально разработанному режиму [1].

В работах [2,3], по опубликованным в литературе зависимостям свойств расплавов (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, электропроводность), от температуры (t) и времени (т) выдержки при ней сделана попытка количественного описания этого процесса. При этом в работах [2,3]автор полагал, что изменение свойств жидкости однозначно определяет распад кластеров. Полностью все особенности этой новой проблемы в работах [2,3] не удалось решить до конца.

Поэтому задача настоящей работы состояла в том, чтобы найти новые характеристики (которых нет в работах [2,3])по кинетике распада кластеров расплава с целью поиска дополнительных возможностей совершенствования теории и практики режимов ТВО.

В публикациях [2,3] любое свойство расплава (р в зависимости от времени т выразили уравнением

ср=А т",

где Аип- эмпирические постоянные.

Скорость изменения свойства (и распада кластеров) из выражения ( 1 ) пропорциональна производной

dcpldT = А-п-т"'1,

В работе [2] построены кривые величины с!<р к!т в интервале температур ликвидус (/ ,) и полного разупорядочения жидкого расплава tp (см. например, рис. 3 для галлия в работе [2]). Эти кривые явились основой для дальнейшей разработки теории изучаемого явления.

Упомянутые кривые имеют куполообразную форму. Слева они касаются оси абсцисс при температуре ликвидус сплава (Q, а справа - заканчиваются при температуре разупорядочения tp. Значения tp определены в работе [3]. Площадь, ограниченная этой кривой и осью абсцисс, -есть полное количество (процент) распавшихся кластеров хК, который приняли 100 %.

Далее обработку куполообразных кривых dcpldt провели следующим образом. Площадь под кривой скорости в температурном интервале на оси абсцисс tn - tp , разделили вертикальными линиями на 7 - 10 частей. Каждый участок площади между tt и - это есть процент кластеров распавшихся в соответствующем температурном интервале. Суммируя

*ПГТУ, д-р техн. наук, проф.

названные площади, начиная от получили кумулятивную кривую (хк), которая является общим количеством кластеров распавшихся в интервале (л - . В качестве примера на рис. 1 (кривая 1) приведен кумулятивный процент хк распавшихся кластеров в зависимости от температуры t для жидкого галлия. (Вычисления проведены по опытным данным из работы [4]). Подобные зависимости по экспериментальным данным различных авторов построены и для других металлических систем - белый чугун [5], сплав нимоник [6], система - 10 % N1 [4], а также В1 - 80 % Т1 [7]. По кривым вида 1 на рис. 1 нашли скорости распада кластеров (с1хк 1сК) в зависимости от температуры - см., например, кривая 2 на рис. 1 для жидкого галлия. (Все вычисления провели на вычислительных

135

с

га

§

й

90

45

/ I \ I \ 1

I \ I \ I \ I \ ____ I

I I I I 4^2

70

140

г, с

210

280

Е 1000

200

£ аГ

Рис. 1 - Кумулятивный процент хк распавшихся кластеров (1) и скорость их распада (2) в зависимости от температуры Г для жидкого галлия. (Вычисления по опытным данным из работы [4]).

машинах путем интерполяции

экспериментальных данных кубическим сплайном*).

Из рис. 1 видно, что доля распавшихся кластеров (кривая 1) с повышением температуры непрерывно увеличивается до 100 %. В отличие от этого, монотонную зависимость не обнаруживает скорость распада (кривая 2). Она сначала увеличивается до максимума при значении Тти , а затем непрерывно убывает.

В настоящей работе величину Тти сопоставили со значением температуры ликвидус сплава (Т„) и процентом кластеров р, распавшихся к моменту времени достижения расплавом соответствующей ему температуре Тти . Из рисунка 2 видно, что чем больше величина Тл, тем больше значение Тти (рис. 2а) и больше процент р распавшихся кластеров (рис. 26). В настоящей работе нашли также отношение Тти / Тр и зависимость его от температуры Тл (рис. 2в).

Из рис. 2 следует, что температура ликвидус сплава Тл является одной из характеристик металла, определяющих процесс распада кластеров. Чем больше Тл: а) тем позже, или при более высокой температуре /то достигается максимум распада (рис. 2а); б) тем больше процент разупорядочившихся кластеров р в момент соответствующий Тти (рис. 26); в) тем ближе Тти к температуре полного разупорядочения расплава Тр, т.е. больше отношение Тти / Тр (рис. 2в). Таким образом температура ликвидус металла '/', определяет прочность его кластеров в жидком состоянии. Чем больше /.. тем более прочные кластеры возникают в расплаве.

§

45

25

0,75

0,50

а

X

б

о /о

в Д --—д

д

300

800

1300

1800

Тп, К

Рис. 2 - Температура максимальной скорости распада кластеров, Тти (а), процент р разупорядочившихся кластеров при этой температуре (б) и отношение Тти к температуре разупорядочения металла Тр, т.е. Тти/ Тр (в), в зависимости от температуры ликвидус Т, металла.

* Расчеты выполнил доц. Е.И. Фищенко

Определенный интерес представляет поиск общих закономерностей распада кластеров для различных металлов. Для этой цели в настоящей работе ввели понятие относительной температуры расплава (7-7',):(/',где Т - текущая температура. На рис. 3 представлен кумулятивный процент распавшихся кластеров хк в зависимости от величины (7'-7',):(/',-/'/,). Как видно из рис. 3 опытные точки для различных металлов хорошо согласуются друг с другом и расположены вокруг одной восходящей кривой. Отклонения от общей зависимости в сторону увеличения хк для галлия и сплава Bi-80%T1 можно объяснить их пониженными температурами плавления, т.е. меньшей прочностью кластеров.

Для уточнения полученных закономерностей необходимо получить новые экспериментальные зависимости свойств металлов с различными температурами ликвидус Тл, что является перспективой дальнейших исследований.

Выводы

1. По опубликованным в литературе зависимостям свойств жидких металлов (вязкость, плотность, поверхностное натяжение, электропроводность) от температуры впервые построили кривые зависимости количества распавшихся кластеров расплава в период его нагрева. Дифференцированием этих кривых нашли скорость распада кластеров при различных температурах.

2. Найдено, что чем больше температура ликвидус сплава, тем прочнее кластеры и выше температура, при которой достигается максимальная скорость их распада.

3. Обнаружена для разных металлов одна и та же закономерность увеличения процента распавшихся кластеров расплава в зависимости от его относительной температуры нагрева.

Перечень ссылок

1. Жидкая сталь /БаумБ. А., Хасин Г. А., Тягунов Г.В. и др. - М.: Металлургия, 1984.-208 с.

2. Скребцов A.M. Изменение свойств и строения металлических расплавов при изотермической выдержке I A.M. Скребцов. II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: Мариуполь, 2002. - Вып. 12. - С. 55 - 59.

3. Скребцов A.M. Кинетика разупорядочения кластеров при нагреве и выдержке металлического расплава / A.M. Скребцов. //Процессы литья.-2002. - №4. - С. 8- 18.

4. Готгилъф ГЛ. Исследование явления гистерезиса вязкости в металлических расплавах / Г.Л. Готгилъф, А.П. Любимов. // Физическая химия металлургических процессов и систем: Со 41 / МИСиС. - М.: Металлургия, 1966. - С. 166 - 170.

5. Феоктистов A.B. Влияние термовременных выдержек расплава белого хромистого чугуна на его износостойкость / A.B. Феоктистов, В.Б. Деев, И.Ф. Селянин. II Известия вузов. Черная металлургия. - 2000. - № 12. - С. 41.

6. О кинетическом режиме процесса релаксации структуры многокомпонентного металлического расплава / Колотухин Э.В., Тягунов Г.В., Николаев Б.А., Баум Б.А. II Журнал физической химии,- 1989. - Т. 63 - Вып. 4. - С. И 18 -1121.

7. Готгилъф Г.Л. Исследование явления гистерезиса вязкости в расплавах системы таллий -висмут / Г.Л. Готгилъф, А.П. Любимов. II Известия вузов. Цветная металлургия. - 1965. -№ 6.'- С. 128 - 132.

У

О t/

о У

О 0,25 0,5 0,75 1

Рис. 3 - Кумулятивный процент распавшихся кластеров х,- в зависимости от относительной температуры расплава (7:-7',):(7',-7';,).

Обозначение точек: О- галлий [4]; •- 8п-10%№; А- белый чугун [5]; X — нимоник [6];

- В1-80%Т1 [7].

Статья поступила 07.04.2003