Способ определения микронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава
METHOD FOR DETERMINING MICROHETEROGENEITY OF A MELT OF A SAMPLE OF A MULTICOMPONENT METAL ALLOY

i
i
i
i
Изобретение относится к технической физике, а именно, к способам измерения температурных зависимостей физических свойств веществ, в частности, кинематической вязкости ν(T) расплавов многокомпонентных металлических сплавов, преимущественно сталей, при определении этих зависимостей у образцов сплавов бесконтактным методом. Он основан на изучении крутильных колебаний размещенного в вертикальной электропечи тигля с образцом. Изобретение может быть использовано в условиях заводской лаборатории металлургического предприятия при изучении температурных зависимостей кинематической вязкости ν(T) и определения граничных температур, нагрев свыше которых переводит расплав в однородное состояние. Дополнительной сферой применения являются металлургия, учебная и исследовательская работа в вузах.
i
i
ан
ан
i
i
i
i
ан
ан
i
i
Изучение температурных зависимостей кинематической вязкости ν(T) образцов металлических сплавов в жидком состоянии при их нагреве и охлаждении позволяет определить характеристические температуры, в том числе температуры аномалий T. В большинстве случаев расплав образца многокомпонентного сплава является неоднородным, а характер структурных изменений при нагреве жидкого металла не монотонен. Поскольку температуры T зависят от состава сплавов, они отличаются у различных сплавов, как и их физические свойства, в том числе кинематическая вязкость ν(T). Для многокомпонентных сплавов монотонность ν(T) сохраняется лишь до определенных температур T, при этом интервал температур от ликвидуса до аномальных температур T отражает первичную неоднородную структуру расплава, образующуюся после плавления шихты. Появление данных о переходе расплава в однородное состояние позволяет считать, что такие свойства расплава как взаимное расположение атомов, характеризуются большей неизменностью и меньшими колебаниями основных параметров относительно среднего значения, а структура расплава более стабильна. Это позволяет снизить требования на производстве, в частности к температурным режимам при выплавке и обработке, например ковке нагретого изделия. В результате определения температуры перехода металлического расплава к более однородному состоянию, появляется возможность дать рекомендации по термовременной обработке сплава, находящегося в жидком состоянии, с целью модифицирования микроструктуры закристаллизованного металлического слитка. Способ термовременной обработки в жидком состоянии нашел практическое применение при выплавке металлических сплавов, в том числе на основе стали, например сплава Fe-Mn-C. Однако, определение температуры перехода расплава в более однородное состояние требует высокой квалификации и опыта экспериментатора для анализа полученных зависимостей ν(T), что особенно сложно реализовать в производственных условиях.
i
i
i
3
2
Известен фотометрический способ определения вязкости ν(T) расплава путем регистрации амплитудно-временных параметров траектории светового луча, отраженного от зеркала, закрепленного на закручиваемой упругой нити, например, нихромовой, на которой подвешен тигель объемом 10–40 см, в котором размещен образец изучаемого сплава. При этом ряд узлов вискозиметрической установки, например, тигель, нагреватель, подвесная система на закручиваемой упругой нити, находятся в высокотемпературной зоне электропечи. Измеряют параметры затухания крутильных колебаний и определения декремента затухания δ этого тигля с образцом. Это осуществляют после выключения принудительного закручивания упругой нити на определенный угол. Используют вычисленное различными способами значение декремента затухания δ, для чего измеряют амплитуды затухающих колебаний и числоколебаний n между ними – см. С. И. Филиппов и др. «Физико-химические методы исследования металлургических процессов», М., Металлургия, 1968, с. 242, 243, 246–251 - аналог. Основой вычисления вязкости ν является ее связь с декрементом затухания δ: ν ~ δ - см. формулу XVI-37, вышеуказанное  С. И. Филиппов, с. 248.
i
i
ан
i
i
ан
i
i
i
i
Наличие перехода металлического расплава к более однородному состоянию определяют потемпературной зависимости ν(T) в режимах нагрева и охлаждения изучаемого образца. Температуру такого перехода определяют по наличию аномалии на температурной зависимости T кинематической вязкости изучаемого образца расплава ν(T). в виде гистерезиса в режимах нагрева и охлаждения, при этом T определяют по совпадающему участку ν(T) в этих режимах. Однако, на практике не всегда наблюдают наличие гистерезиса в режимах нагрева и охлаждения. Кроме того, определение температуры перехода расплава в более однородное состояние требует высокой квалификации и опыта экспериментатора, поэтому существует потребность в оперативном и менее трудоемком способе определения температуры перехода расплава в более однородное состояние по данным температурных зависимостей кинематической вязкости ν(T).
i
i
Интерпретацию вышеотмеченных аномалий температурных зависимостей вязкости расплавов ν(T) осуществляют на основе известного уравнения Аррениуса:
k
A
i
i
A
A
где  – постоянная Больцмана, E – энергия активации вязкого течения, A – коэффициент, не зависящий от температуры – см. вышеуказанное С. И. Филиппов…с 212. Микронеоднородный расплав обладает некоторой структурой из дисперсных частиц. Разрушение микронеоднородности в расплаве приводит к изменению структуры. При разрушении такой структуры отдельные частицы приобретают дополнительную степень свободы. В случае, если возможен процесс разрушения структуры, а именно, переход ее в более однородное состояние, то переход вещества в это состояние сопровождается изменением зависимости ν = φ(T). При этом, в точке перехода происходит понижение энергии активации вязкого течения E, т. е. минимальной энергии, необходимой структурным единицам вязкого течения, а именно, микронеоднородности, для преодоления потенциального барьера сил взаимодействия с ближайшим окружением и перемещения этих единиц в новое положение равновесия. Таким образом, величина E характеризует межмолекулярные и межчастичные взаимодействия, в том числе микроструктурную упорядоченность жидких микронеоднородных систем и их стабильность.
A
i
i
По результатам анализа экспериментальных данных ν(T) зависимости кинематической вязкости от температуры, сложно наглядно установить изменение энергии активации E. Чтобы обнаружить изменение параметров, уравнение (1) целесообразно привести к линейному виду, тогда любое изменение параметров в уравнение (1) будет наглядно отражать отклонения от линейного вида зависимости ln(ν) = φ(1/T). Для этого зависимость (1) может быть представлена в логарифмическом виде:
A
Тогда энергия активации E пропорциональна тангенсу угла наклона прямой линии:
A
i
i
i
ан
i
i
i
i
2
1
A2
A1
Т
При переходе расплава в более однородное состояние происходит изменение энергии активации E вязкого течения в уравнении Аррениуса (1). Это изменение можно наглядно обнаружить по наличию характерных участков на зависимости ln(ν) от обратной температуры (1/): а именно ln(ν) = φ(1/T) – см. Фиг. 1. Температура T характерного участка, имеющего вид излома, в этом случае соответствует температуре аномалии T, связанной с разрушением микронеоднородного состояния расплава и переходу расплава в более однородное состояние. Графики ln(ν) = φ(1/T) можно аппроксимировать линейными зависимостями с углами наклона α. При этом, при температурах Tвыше температуры излома, соответственно угол α в уравнении (3), как правило, меньше угла α, а энергия активации  E  меньше энергии активации E.
i
i
i
i
ан
i
i
ан
),
На практике используют регистрацию структурных превращений в расплавах по аномалиям на зависимостях ν(T) по гистерезису (несовпадению) этих зависимостей ν(T полученных в совместных режимах нагрева и охлаждения. Температуру аномалии T в этом случае определяют по началу совпадающего участка режимов нагрева и охлаждения зависимости ν(T). Такой метод имеет недостатки, которые связаны, во-первых, с неточностью определения температуры аномалии T, во-вторых, необходимо определение температурных зависимостей как в режиме нагрева, так и последующего охлаждения, что требует вдвое большего времени проведения эксперимента и больших энергозатрат. Отмечено, что на практике не всегда наблюдается наличие гистерезиса в режимах нагрева и охлаждения. При этом уменьшается ресурс работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, Кроме того, требуется высокая квалификация  экспериментатора, из-за чего затруднена возможность дать объективное и наглядное обоснование рекомендациям производителям сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии.
i
i
i
i
i
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ определения микронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава посредством изучения температурных зависимостей кинематической вязкости ν(T) при нагреве и охлаждении расплавленного образца этого сплава в определенном диапазоне температур, с получением дискретных значений параметров ν(T) в виде электрических сигналов U – см пат  РФ № 2477852 – прототип.
i
i
i
i
Недостатком прототипа является то, что не обеспечивается достоверность и наглядность определения температурной аномалии на зависимостях вязкости от температуры расплава ν(T) образца многокомпонентного металлического сплава, в том числе при отсутствии гистерезиса, по температурной зависимости ν(T), полученной при длительном эксперименте за счет изучения вышеуказанных зависимостей как в режимах нагрева, так и охлаждения образца. При этом уменьшается ресурс работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, Вышеизложенное свидетельствует о затруднении возможности осуществления экспресс-диагностики в промышленных условиях и при обычно ограниченных по времени лабораторных работах в учебных заведениях. Кроме того, увеличиваются  энерготраты и трудозатраты. При этом затруднена возможность использования менее квалифицированного персонала, например, студентов, при самостоятельном осуществлении ими экспериментов. Это уменьшает возможность дать объективное и наглядное обоснование рекомендаций производителям сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии.
Заявляемый способ направлен на решение технической проблемы, а именно, увеличенпе ресурса работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, повышение наглядности и достоверности определения температурных аномалий и микронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава. Обеспечивается возможность осуществления экспресс-диагностики в промышленных условиях и при обычно ограниченных по времени лабораторных работах в учебных заведениях, и следовательно, возможность получения объективных и наглядных рекомендаций производителями этого сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии.
i
i
ан
i
i
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение ресурса работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, повышения наглядности и достоверности определения параметров температурной аномалии образца многокомпонентного металлического сплава, в том числе даже при отсутствии гистерезиса на зависимостях ν(T). Это позволяет определять температуры аномалий T по температурной зависимости ν(T), полученной только в режиме нагрева образца. Обеспечивается возможность получения наглядных объективных рекомендаций для производителей этого сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии. Кроме того, обеспечивается возможность уменьшения энергозатрат и трудозатрат, а также осуществления исследований персоналом невысокой квалификации, в частности студентами, что расширяет функциональные возможности способа и позволяет уменьшить влияние субъективного фактора на ход и результаты экспериментов.
При осуществлении заявляемого способа решается проблема отсутствия способа данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации способа. Указанная проблема решается с помощью предлагаемого способа определения микронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава.
i
i
i
i
i
Заявляется способ определения микронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава посредством получения температурных зависимостей кинематической вязкости ν(T) при нагреве и охлаждении расплавленного образца этого сплава и анализа аномалий этих зависимостей, с получением дискретных значений ν(T) в виде электрических сигналов U, которые отображают на многоканальном дисплее.
отличается тем, что
2
2
2
2
2
2
2
i
пор
i
i
A
i
i
i
i
i
i
i
i
i
пор
i
i
пор
i
i
i
i
пор
i
i
i
i
i
i
1
2
1
2
A1
1,
A2
2
i
ан
От прототипа способ  задают значение пороговой величины второй производной d(U) на основе результатов предварительных экспериментов, затем, посредством зависимостей ν(T), определяют структурные превращения в расплаве, связанные с изменением микронеоднородного состояния, которое сопровождается изменением энергии активации E вязкого течения вышеуказанного расплава, для чего осуществляют построение графиков логарифмической зависимости кинематической вязкости изучаемого образца расплава ln(ν) от обратной температуры 1/T в виде ln(ν) = φ(1/T). данные этой зависимости в виде по меньшей мере двух последовательных электрических сигналов U ̴  ln(ν) дифференцируют, получают первую производную d(U) от обратной температуры 1/T, сигнал d(U) еще раз дифференцируют, получают вторую производную d(U), которую сравнивают с пороговой величиной d(U), при этом, если величина второй производной d(U) меньше порогового значения d(U), считают, что аномалия на зависимости кинематической вязкости ν(T) отсутствует, а при величине d(U) больше порогового сигнала d(U) аномалия имеется, что позволяет сделать вывод о существовании структурного превращения в расплаве, кроме того, синхронно по величине сигналов U, отражающих логарифм вязкости U  ̴ ln(ν) = φ(1/T), строят график этой зависимости, который аппроксимируют прямыми линиями, отражающими ход ln(ν) = φ(1/T) до и после аномалии, определяют значение наклона этих прямых в виде углов αи α, при отсутствии аномалии эти углы равны, при наличии аномалии угол αбольше угла α,причем наличие аномалии сопровождается уменьшением энергии активации E вязкого течения неоднородного расплава, пропорциональной tg αдо значения E, пропорционального tg α, после чего делают вывод о переходе изучаемого расплава в более однородное состояние при его нагреве выше температуры аномалии T. = T
ан
i
i
i
i
Технические решения обеспечивают достижение технического результата, а именно,  при осуществлении заявляемого способа решается проблема отсутствия способа данного назначения и, соответственно, достигается результат, который заключается в реализации предлагаемого способа. При этом увеличивается ресурс работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи, увеличивается наглядность и достоверность определения температурной аномалии образца многокомпонентного металлического сплава. Существенно, что определяют температуру аномалии T по температурной зависимости ν(T), полученной в режиме только нагрева образца, даже при отсутствии гистерезиса на зависимостях ν(T). Обеспечивается возможность осуществления экспресс-диагностики с получением наглядных объективных рекомендаций для производителей этого сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии. Кроме того, обеспечивается возможность осуществления исследований персоналом невысокой квалификации, в частности студентами или лаборантами, что увеличивает наглядность, расширяет функциональные возможности способа и позволяет уменьшить влияние субъективного фактора на ход и результаты экспериментов.
В конечном итоге, способ обеспечивает повышение ресурса работы вискозиметрической установки, повышения наглядности и достоверности определения наличиямикронеоднородности расплава образца многокомпонентного металлического сплава, при этом обеспечивается возможность уменьшения энергозатрат и трудозатрат. Обеспечивается возможность осуществления исследований персоналом невысокой квалификации и осуществления экспресс-диагностики, с получением наглядных объективных рекомендаций для производителей этого сплава по термовременному воздействию на него во время его нахождения в жидком состоянии.
Предлагаемый способ поясняется чертежами:
Фиг. 1 – Иллюстративная зависимость ln(ν) от обратной температуры (1/Т);
i
i
i
i
i
i
2
Фиг. 2 – Зависимости ν(T) (а), зависимости второй производной d(U) экспериментального сигнала U от температуры (б), зависимость ln(ν) = φ(1/T) (в) c выделением температур излома для сплава Fe-7.5%Mn-0.7%C;
i
i
i
i
i
i
2
Фиг. 3 – Зависимости ν(T) (а), зависимости второй производной d(U) экспериментального сигнала U от температуры (б), зависимость ln(ν) = φ(1/T) (в) c выделением температур излома для сплава Fe-10%Mn-0.9%C;
i
i
i
i
i
i
2
Фиг. 4 – Зависимости ν(T) (а), зависимости второй производной d(U) экспериментального сигнала U от температуры (б), зависимость ln(ν) = φ(1/T) (в) c выделением температур излома для сплава Fe-12%Mn-1%C.
E
E
A
1
A
2
Таблица – Экспериментальные данные об энергии активации вязкого течения  и  до и после аномалии соответственно.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
ан
i
i
пор
ан
i
i
i
i
i
i
i
ан
i
i
i
пор
i
i
i
A1
A2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Предлагаемое изобретение используют следующим образом. Вискозиметрическая компьютеризованная установка, для измерения декремента затухания и соответствующей вязкости по температурной зависимости ν(T), не показанная на схеме, выполнена в виде устройства для бесконтактного фотометрического определения температурной зависимости ν(T) путем измерения параметров экспоненциального затухания крутильных колебаний тигля с расплавом, коаксиально подвешенного на упругой нихромовой нити внутри вертикальной цилиндрической электропечи – см. пат. № 2386948. Такую установку размещают в заводской или университетской лаборатории. Образец сплава массой несколько десятков граммов помещают в керамический тигель. Нагрев и расплавление осуществляют пошагово с величиной шага в 20–50 град. С, количеством 10–30 дискретных температурных точек T со стандартной точностью ± 5% в течение единиц минут для каждого значения температуры T, в течение до нескольких часов, при этом измеряют колебательные затухающие отклонения светового луча. Затем вычисляют декремент затухания, по которому рассчитывают зависимость ν(T) - см. Фиг. 2(а), Фиг.  3(а), Фиг. 4(а). Ее преобразуют в логарифмическую ln(ν) = φ(1/T) с построением соответствующих графиков - см. Фиг. 2(в), Фиг. 3(в), Фиг. 4(в), а кроме того, при анализе этой зависимости и графиков определяют первую d(U) и вторую производную d(U)   данной зависимости - см. Фиг. 2(б), Фиг. 3(б), Фиг. 4(б). При этом наличие аномалий на зависимости ln(ν) = φ(1/T) определяют по первой d(U) и второй d(U) производной. Изменение параметров, характеризующих эту зависимость, сопровождается скачкообразным изменением первой d(U) и второй d(U)  1 производной при температуре аномалии T - см. Фиг. 2(а), Фиг. 3(а), Фиг. 4(а), которая соответствует прекращению процесса выхода второй производной d(U)  1 за пороговое значение d(U). 2. Таким образом, получают конкретное значение T для исследуемого металлического расплава. Если первая производная d(U) при отсутствии аномалии имеет постоянную величину d(U) = const, то вторая производная d(U) 1 в таком случае равна нулю: d(U) = 0. Соответственно, по результатам измерений температурной зависимости кинематической вязкости ν(T), значения d(U) находятся вблизи нуля при отсутствии аномалии, и имеют ненулевые значения при температурах аномалий T – см. Фиг. 2(б), Фиг. 3(б), Фиг. 4(б). Исходя из анализа базы данных зависимостей ln(ν) = φ(1/T), задают пороговое значение величины d(U). 2, превышение которого свидетельствует об изменении угла наклона α - см. Фиг. 1 (3), (4)) зависимости ln(ν) = φ(1/T) и величины энергии активации вязкого течения с E до величины E, - см. Таблицу, что свидетельствует о структурном превращении в расплаве.
Таблица
№
Cплав
E<sub>A1</sub>, кДж/моль·К
E<sub>A2</sub>, кДж/ моль·К
1
Fe-7,5%Mn-0,7%C
82,2
53,8
2
Fe-10%Mn-0,9%C
45,0
37,0
3
Fe-12%Mn-1%C
80,4
72,9
i
i
i
пор
ан
i
Tан
i
ан
i
i
A
i
i
1
2
2
2
2
Экспериментальные данные таблицы согласуются со справочными данными – см. Лепинских Б. М. и др. «Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов»: Справ. Изд. М., Металлургия, 1995, с. 189. На Фиг. 2(в), Фиг. 3(в), Фиг. 4(в) приведены зависимости ln(ν) = φ(1/T) для трех различных сплавов с величинами заданного порогового значения d(U) 2, Из них видно, что при температуре аномалии T значение второй производной d(U) существенно отличается от остальных ее значений d(U). Таким образом, при данной температуре T на зависимости ln(ν) = φ(1/T) наблюдают характерные изменения в виде излома, связанные с изменением параметров расплава в уравнении (1), а именно, энергии активации вязкого течения E, что не всегда очевидно и менее наглядно видно на зависимости ν(T). Кроме того,определение углов αи αна графиках может быть оперативно осуществлено, например, при проведении лабораторных работ в университете, посредством использования простого угломерного инструмента, например транспортира.
Приведенные графики наглядно иллюстрируют наличие аномалий по данным, полученным только при нагреве расплавов, без учета данных, полученных при охлаждении расплавов. Это обеспечивает увеличение ресурса работы ряда узлов вискозиметрической установки, находящихся в высокотемпературной зоне электропечи. Увеличивается наглядность и достоверность определения температурной аномалии образца многокомпонентного металлического сплава, уменьшаются время эксперимента, энерготраты и трудозатраты, при увеличении наглядности и достоверности определения наличиямикронеоднородности образцов многокомпонентных металлических сплавов. При осуществлении заявляемого способа решается проблема отсутствия способа данного назначения и, соответственно, достигается технический результат, который заключается в реализации способа. Это обеспечивает возможность получения объективных рекомендаций для производителей сплавов по параметрам термовременного воздействия на сплавы во время нахождения их в жидком состоянии.