Полиморфные превращения в расплаве алюминия

УДК 538.953

И. Л. Голубева, В. В. Сагадеев

ПОЛИМОРФНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ

Ключевые слова: жидкие металлы, тепловое излечение, полиморфизм металлов.

Влияние полиморфных превращений на тепловое излучение жидких металлов исследовано недостаточно. В данной работе проведено измерение нормальных интегральных степеней черноты расплава алюминия с температурным интервалом 5-10 К. Влияние полиморфизма на тепловое излучение расплава алюминия в основном проявилось в изменении температурного коэффициента нормальной интегральной степени черноты

Keywords: graphic education, computer technologies, 3D Modeling.

Effect of polymorphic transformations in the heat radiation of liquid metals studied enough.In this study, we measured the normal integral emissivity aluminum melt temperature range 5-10 K. The effect of thermal radiation on the polymorphism of molten aluminum in the wasps mainly manifested in the change of the temperature coefficient of the normal integral emissivity.

Теория жидкого состояния - сложный раздел современной физики. Это состояние является промежуточном между твердым и газообразным. Структура большинства твердых веществ изучена хорошо и в процессе исследования свойств накоплен экспериментальный материал, который проанализирован с позиции квантовой механики. Жидкости, в том числе жидкие металлы и сплавы, изучены недостаточно [1, 2].

В процессе исследования физических свойств чистых жидких металлов и многокомпонентных расплавов часто обнаруживаются различные аномалии (перегибы, скачки), природа которых остается неопределенной. Многие годы ведется дискуссия о возможности структурных превращений в металлических расплавах. До сих пор нет единого мнения по этому вопросу. Прежде всего, это связано со сложным строением металлического расплава и с ограниченными возможностями экспериментальных методов [3]. Экспериментальные данные о структуре расплавов металлов, полученные разными авторами, во многих случаях существенно различаются между собой. Это является причиной возникновения противоречивых точек зрения на возможность структурных превращений в расплавах металлов.

Согласно квазиполикристаллической модели, в структуре расплавов присутствуют кластеры с близким к их расположению в кристаллическом состоянии атомами, и межкластерная зона. Кластеры -нестабильные группы, время их существования превышает период теплового колебания атома. С точки зрения физики это группировки с более сильными внутренними связями по сравнению с внешними.

Более рыхлая структура со средним координационным числом, меньшим, чем в кристаллах, формируется в местах контакта группировок кластеров [4]. Исследование структурной неоднородности расплавов металлов показывает, что доля кластерных образований значительна даже при существенных перегревах над температурой плавления.

Мнения авторов исследований о природе и температурах структурных превращений различаются. Структурные параметры расплава алюминия исследовали авторы работ [5, 6]: высоту а^), а(82) первого и второго максимума структурного фактора;

положение 81, б2; наиболее вероятное межатомное расстояние г1; число ближайших соседей, определенное по площади симметричной части первого пика функции радиального распределения атомов Zc и по площади первого пика до перпендикуляра, опущенного на ось абсцисс из точки первого минимума функции радиального распределения атомов Zn; высоту первого максимума функции радиального распределения атомов D(r1) (рис. 1). Авторы наблюдали аномальное изменение структурных параметров алюминия в интервале температур от 960 до 1000°С, максимальное проявление которого выявилось на параметре Zc.

¿¿.-л? IV

Ш

Рис. 1 - Политермы структурных параметров жидкого алюминия [6]

По мнению авторов [5] в обозначенном интервале температур происходит перестройка расположения атомов, т. е. структурное преобразование, связанное с существенным разрыхлением жидкого металла. Если судить по характеру температурной за-

висимости ^(Г) и Ъс(1), это разрыхление связано с уменьшением числа ближайших атомов, а не увеличением межатомных расстояний. В области аномалии наиболее вероятное межатомное расстояние г существенно не меняется, а положения первого и особенно второго максимумов структурного параметра незначительно возрастают. Некоторые отличия наблюдаются в характере зависимостей Ъс и Ъп. Исследованные данные не противоречат обозначенному в [7] мнению о существовании структурных превращений в расплаве алюминия по типу ГЦК -ОЦК-подобная структура, происходящих в результате изменения строения электронной оболочки ионов А12+ при высоких температурах. Указанное превращение происходит при температурах, превышающих температуру плавления примерно на 150 К. Об этом свидетельствует уменьшение Ъс около температуры 1233 К до 8.

Авторы работы [6] также отметили качественное изменение ближнего порядка расплава алюминия при 1450°С (рис. 1): параметры s1, а($1), а(,^2), Ъ стабилизируются, г1 возрастает. Стабильность Ъ и рост г1 означают, что при указанной температуре меняется механизм теплового расширения жидкого алюминия: увеличение объема происходит за счет увеличения межатомного расстояния. Авторы [6] предполагают, что это соответствует переходу к статистическому (квазигазовому) распределению атомов.

На основании вышесказанного, кластерное микронеоднородное строение расплава и наследование кластерными образованиями свойств кристаллов является причиной возможных преобразований структуры расплавов. Структурно-чувствительные свойства расплавов металлов при наличии этих полиморфизмов реагируют аномальными зависимостями (минимумы, максимумы, изгибы, скачки) от температуры.

Аномальные изменения свойств незначительны по сравнению с процессами плавления. Эти скачки сложно определить, если измерения проводить с большим температурным шагом, что и наблюдалось в предыдущих исследованиях авторов. Влияние структурных превращений в жидких металлах на их тепловое излучение исследовалось авторами в работах [8, 9, 10, 11].

Нормальные интегральные степени черноты расплава алюминия высокой чистоты измерялись с шагом 10 К. В интервале температур предполагаемого полиморфизма шаг составлял 3 - 5 К. Авторами обнаружилось нарушение монотонности температурной зависимости еп при температурах ~ 1005 К, 1100 К и 1210 К (рис. 2).

Температурный коэффициент деп / дТ изменялся от 1.55^10-4 до 1.09^10-4 при Т ~ 1010 К, от 1.0910-4 до 1.39^10-4 при Т = 1100 К и от 1.39-10-4 до 1.1910-4 при 1210 К.

Можно констатировать, что влияние полиморфизма на тепловое излучение расплавов в основном проявляется в изменении температурного коэффи-

циента деп / дТ , которое сопровождается скачком нормальной интегральной степени черноты еп.

0.10

0.07

0.079

. /

/ - 0.078

7 -

_ / - 0.077

/ • _

" I 1 1 1 0.076 > А *

1000 1010 1020уТ

950

1000 1050

1100

1150 1200 Т, К

Рис. 2 - Нормальные интегральные степени черноты расплава алюминия

Таблица 1 - Температуры полиморфных превращений алюминия по различным свойствам

Свойства Ть К Т2, К Т3, К

Кинематическая вязкость [14] 993 1133 1483

Растворимость водорода [15] 1043 1173 1373

Изобарная теплоемкость [12] 1003 1100 1223

Плотность [16] 983 1083 1183

Дифракционные исследования [17]: а(82), 82, Ъс 1233 1673

Ъп, а(Б:),Г1 [13] 1233 1773

81 [13] 1233 1623

Степень черноты [8, 9] 1005 1100 1210

Величина скачка невелика и находится в пределах погрешности измерений (табл. 1 и рис. 2).

Температуры фазовых превращений, определенные на основании различных физических свойств жидкого алюминия разными исследователями, отличаются между собой (табл. 1).

Так, для алюминия при температуре вблизи 1220 К степень черноты (рис. 2), Ъп, а(80, 81 [13] изменяют только угловые коэффициенты, изобарная теплоемкость [12] (рис. 3), а(82), 82, Ъс, Б(^) [6] (рис. 1) изменяются скачком.

Параметр г [13] и кинематическая вязкость не претерпевают изменений. Если сопоставить зависимости а и б на рисунке 3, увидим, что на зависимости Ср первые два пика, отвечающие первым двум полиморфным переходам в расплаве алюминия размыты по температуре, а последнее превращение, наблюдаемое при температуре 1223К, проявляется скачком.

е

Рис. 3 - Температурные зависимости изобарной

теплоемкости (а) по [12] и плотности (б) по [16]

для жидкого алюминия.

Литература

1. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. - Л.: Наука, 1975. - 375с.

2. Байков А.А. Успехи советской металлургии. - М.: Металлургия, 1961. - 350с.

3. Островский О.И., Григорян В.А., Вишкарев А.Ф. Свойства металлических расплавов. - М.: Металлургия, 1988. - 304с.

4. Базин Ю.А., Курбатов В.Н., Баум Б.А. Рентгенографические исследования структуры ближнего порядка жидкого свинца // Расплавы. - 1999. №1. - С. 75-80.

5. Емельянов А.В., Базин Ю.А., Баум Б.А., Медведев Б.А. Влияние температуры на структуру ближнего по-

рядка и поведение кислорода в жидком алюминии. - В сб.: Физические свойства металлов и сплавов. Межвуз. сборник науч. трудов. - Свердловск: УПИ, 1986. -С .101-104.

6. Базин Ю.А., Емельянов А.В., Баум Б.А., Клименков Е.А. Рентгенографическое исследование строения жидкого алюминия // Металлофизика. - 1986. Т.8. №2. -С.11-15.

7. Ватолин Н.А., Пастухов Э.А. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. -М.: Наука, 1980. - 188с.

8. К.Б. Панфилович, И.Л. Голубева, В.В. Сагадеев. Тепловое излучение жидких металлов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2004. - №1, 2. - С. 180-187.

9. И.Л. Голубева. Дисс. канд. техн. наук, Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2004. 156 с.

10. В.В. Сагадеев. Тепловое излучение жидких металлов и сплавов: монография. Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, Казань. 2008. 204 с.

11. К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева. Температурные зависимости теплового излучения и поверхностного натяжения жидких металлов // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14, №8. - С. 73-76.

12. В.М. Залкин Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. - М.: Металлургия, 1987. -150с.

13. П.С.Попель, Е.А.Демина, С.Е. Демина. Тепловые эффекты микрорасслоений при образовании расплавов Би - РЬ, А1 - // ТВТ. - 1987. Т.25. №4. - С.671-675.

14. И.М.Кочегура, С.П.Казачков, В.Р.Пимпчук. Марковский Е.А. Объемные характеристики расплавов системы алюминий - кремний // Расплавы. - 1987. №2. - С.51-55.

15. А.Г. Морачевский Термодинамика жидких сплавов. -Л.: Изд-во ЛПТИ, 1981. - 72с.

16. В.П.Казимиров, В.А. Шовский, Г.И. Баталин. О связи между строением и термодинамическими свойствами бинарных металлических расплавов // Укр. хим. ж-л. -1987. Т.53. №4. - С.355-359.

17. Е.В. Калашников Концентрационные неоднородности в эвтектических системах // Расплавы. - 1990. №3. -С.40-70.

© И.Л. Голубева - канд. техн. наук, доц. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, golubeva1967@yandex.ru; В.В. Сагадеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, v.saqadeev@mail.ru.

© I.L. Golubeva, Cand. Sci. (Tech.), Docent, Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, KNRTU, golubeva1967@yandex.ru; V. V. Sagadeevб Cand. Sci. (Tech.), Docent, Department of the Engineering Computer Grafics and Automated Design, KNRTU, v.saqadeev@mail.ru.