Развитие криоскопического метода исследования двойных систем эвтектического типа
Разработка криоскопического экспресс-метода исследования процессов структурообразования в двойных системах эвтектического типа на основе физико-химических условий соблюдения закона Рауля в этих системах. Методика расчета линий фазовых равновесий.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | автореферат |
Язык | русский |
Дата добавления | 10.08.2018 |
Размер файла | 948,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
14
1
Развитие криоскопического метода исследования двойных систем эвтектического типа
Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Щапов Владислав Александрович
Рыбинск 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кимстач Геннадий Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кульбовский Иван Кузьмич
кандидат технических наук, доцент Гунин Анатолий Викторович
Ведущая организация: ОАО «Автодизель» (ЯМЗ), г. Ярославль
Защита состоится «29» декабря 2009г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д.212.210.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53.
Автореферат разослан « 24 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Каляева Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Во всех случаях, когда те или иные изделия получают в результате кристаллизации расплава - металлического или неметаллического, - свойства изделий определяются кристаллической структурой затвердевших сплавов. В свою очередь характер формирующейся при этом кристаллической структуры главным образом зависит от состояния и строения расплава, а те или иные воздействия, оказываемые на расплав и изменяющие его состояние, соответственно изменяют и кристаллическую структуру затвердевшего сплава. В этих условиях технологические процессы должны базироваться на адекватных представлениях о состоянии и строении расплава, позволяющих оптимизировать технологические параметры и таким образом целенаправленно воздействовать на процессы формирования требуемой кристаллической структуры в изделиях. Поэтому создание эффективных методов оценки состояния расплавов является актуальной задачей. Наряду с точностью и информативностью, такие методы, используемые в технологической практике, должны обладать достаточной простотой, надежностью, доступностью. Еще одно важное требование к подобным методам обусловлено тем, что расплавы - и металлические и неметаллические - в производстве, как правило, используются в различных неравновесных состояниях, когда критические точки систем смещаются, и в процессе кристаллизации существенно изменяется конституция образующихся твердых фаз: их состав, структура, свойства, а методов оценки таких состояний практически не имеется.
Особое значение эта задача имеет для расплавов, образующихся в системах эвтектического типа, поскольку такие системы являются основой важнейших современных материалов - сталей, чугунов, силуминов, керамики и т.д.
В настоящей работе исследовали возможность оценки состояния расплавов эвтектического типа с использованием закона Рауля.
Цель работы - разработать криоскопический экспресс-метод исследования процессов структурообразования в двойных системах эвтектического типа на основе физико-химических условий соблюдения закона Рауля в этих системах.
Работа имела характер научного поиска и поэтому при ее выполнении очередные задачи последовательно формулировались и решались, исходя из результатов, полученных в предыдущих исследованиях.
Положения выносимые на защиту:
1. Результаты исследований, доказывающие существование двойных систем эвтектического типа, расплавы которых подчиняются закону Рауля, и устанавливающие особенности соблюдения закона Рауля в расплавах этих систем;
2. Криоскопический экспресс-метод расчета положения линий ликвидус и солидус, а также эвтектических точек двойных систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях с использованием предложенных уравнений, полученных на основе закона Рауля;
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие субмикрогетерогенное строение расплавов в системах эвтектического типа и основанное на этих результатах представление о физико-химическом механизме структурообразования в расплавах этих систем;
4. Методика расчета линий фазовых равновесий по разработанному методу с использованием ЭВМ.
Научная новизна
- Впервые обнаружено существование большого количества различных двойных систем эвтектического типа - металлических, солевых, силикатных, алюминатных - расплавы которых в широких интервалах концентраций подчиняются закону Рауля и, следовательно, обладают свойствами идеальных растворов.
- Введено представление о сопряженном сплаве и установлено, что отношение понижений температур затвердевания сопряженного и рассматриваемого сплавов в системах эвтектического типа является величиной постоянной. Для ряда систем рассчитаны значения этой константы. криоскопический эвтектический фазовый двойной
- На основании закона Рауля получены уравнения, позволяющие с высокой точностью рассчитывать положение линий ликвидус и солидус систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус.
- Получено экспериментальное доказательство субмикрогетерогенного строения расплавов системы Al-Si и солевых расплавов. Представлены вероятные физико-химические механизмы растворения вторых компонентов систем и формирования структуры расплавов эвтектического типа.
- Установлено, что предложенный метод криоскопии может применяться для расчета теоретических температур ликвидус и коэффициента Вант-Гоффа солевых систем в равновесном и неравновесных состояниях в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус. Установлено, что коэффициент Вант-Гоффа остается постоянным и в неравновесных состояниях расплава.
Практическая значимость обусловливается тем, что результаты выполненных исследований можно использовать при разработке и уточнении диаграмм состояния двойных систем с эвтектикой, в исследованиях структурных и фазовых превращений в этих системах в равновесном и неравновесных состояниях, а также в исследованиях, связанных с решением вопросов совершенствования технологических процессов приготовления расплавов с необходимой структурой и свойствами. Результаты работы приняты к внедрению в ОАО”НПО”Сатурн”.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», г. Рыбинск, РГАТА 2007 г., Шестидесятой и шестьдесят первой научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов, г. Ярославль, ЯГТУ 2007-2008гг., ХХVII Российской научной школы “Наука и технологии”, г. Миасс: МСНТ, 2007 г., VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород: ННГТУ, 2008 г., Десятой конференции молодых ученых - химиков, г. Нижний Новгород, ННГУ, 2008г. ХХIX Российской научной школы “Наука и технологии”, г. Миасс: МСНТ, 2009г.
Публикации. По результатам работы издано 17 публикаций, в том числе 8 статей в журналах, предусмотренных перечнем ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела «Заключение», списка литературы, включающего 125 наименований отечественных и зарубежных источников, и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков и 62 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и поставлены общие задачи исследования, отмечена научная новизна, практическая значимость полученных результатов и положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации произведен анализ существующих экспериментальных и теоретических методов исследования расплавов, который показал, что использование рассмотренных методов для оценки состояния и свойств расплавов в температурном интервале затвердевания, в котором формируется кристаллическая структура сплава, ограничено сложностью, необходимостью в значительных объемах вычислений и дополнительных экспериментах.
Обоснована актуальность разработки криоскопического метода исследования состояния и свойств расплавов в равновесном и неравновесных состояниях систем эвтектического типа.
Вторая глава диссертации посвящена исследованию особенностей соблюдения закона Рауля в двойных системах эвтектического типа.
О том или ином отношении систем к закону Рауля судили, сравнивая значения молярных масс вторых компонентов систем - М2 (металлических: Fe-C, Al-Si, Pb-Au; тугоплавких: SiO2-Al2O3, Al2O3-FeO и солевых: GaI3-SnI2, KF-ZrF4 и KF-ТbF3), вычисленные криоскопическим методом, с их истинными величинами. Молярные массы рассчитывали в различных фигуративных точках, расположенных на линии ликвидус и в двухфазных областях систем, по известному соотношению, полученному из закона Рауля (2)
, (1)
где g1 и g2 - соответственно массы первого и второго компонента раствора, г,
ДТЗ=КЗ·m, (2)
где ДТЗ - понижение температуры кристаллизации раствора - разность температур кристаллизации растворителя - Тпл и раствора - Т1, К,
КЗ - криоскопическая константа растворителя, К•г/моль,
m -моляльность раствора, моль/кг,
Координаты фигуративных точек и величины g1 и g2 рассчитывали по диаграммам состояния рассматриваемых систем, используя известное правило отрезков. Выяснилось, что характер изменения рассчитанных значений М2 в зависимости от концентрации оказывается одинаковым в расплавах всех исследованных систем эвтектического типа. В качестве примера на рис. 1 показаны зависимости рассчитанной молярной массы второго компонента от его концентрации в системах Fe-C и SiO2-Al2O3.
а б
Рис. 1 Изменение рассчитанных молярных масс вторых компонентов соответственно С (a), Al2O3 (б) в зависимости от их содержания в расплавах Fe-C и SiO2-Al2O3 при температуре ликвидус
В области низких концентраций второго компонента обнаружилось резкое изменение рассчитанных молярных масс, далее в широких интервалах концентраций, вплоть до эвтектической, постоянство значений рассчитанных молярных масс, удовлетворительно совпадающих с действительными их значениями, и закономерное повышение рассчитанных значений этих величин в заэвтектической области систем.
Следовательно, в области низких концентраций вторых компонентов системы отклоняются от закона Рауля, в широких концентрационных интервалах системы подчиняются этому закону, а в заэвтектической области систем наблюдается отклонение от него. Результаты выполненного исследования не подтверждают сложившегося в науке представления о неподчинении расплавов законам идеальных растворов.
Обращает внимание характер изменения величины М2 в интервале низких концентраций второго компонента, где закон Рауля не соблюдается - здесь степень отклонения расплавов всех рассмотренных систем от идеальности оказывается тем большей, чем меньше концентрация сплава. Можно поэтому предположить, что известное представление о предельно разбавленном растворе на расплавы не распространяется.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения закона Рауля в исследованиях расплавов систем эвтектического типа.
В третьей главе диссертации разработан криоскопический метод исследования систем эвтектического типа, позволяющий рассчитывать эвтектическую концентрацию второго компонента системы и строить линии ликвидус и солидус с достаточно высокой точностью в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус.
Из закона Рауля получено уравнение
, (3)
позволяющее рассчитывать эвтектическую концентрацию второго компонента системы щ2(эвт) по известной температуре эвтектики - Тэвт.
Выяснилось, что для ряда систем результаты таких расчетов хорошо соотносятся с действительными значениями щ2(эвт), что может свидетельствовать о подчинении этих систем закону Рауля (табл. 1).
Таблица 1
Эвтектические концентрации второго компонента в двойных системах, подчиняющихся закону Рауля
Система |
Тэвт, К |
KЗ, К·г/моль |
Эвтектическая концентрация второго компонента, % (по массе) |
Д, %, |
||
табличная щ2табл |
расчетная щ2расч |
|||||
Fe-C |
1420 |
103,418 |
4,3 |
4,298 |
0,047 |
|
Al-Si |
850 |
17,918 |
11,7 |
11,530 |
1,453 |
|
Au-Pb |
488 |
12,001 |
85 |
85,198 |
0,233 |
|
Ag-Sn |
494 |
34,953 |
96,5 |
96,717 |
1,274 |
|
Al-Sn |
501,3 |
34,953 |
99,5 |
99,715 |
0,216 |
|
Ce-Fe |
913 |
146,740 |
95,5 |
95,113 |
0,406 |
|
V2O5-CuO |
903 |
21,096 |
15,78 |
15,86 |
0,507 |
|
Al2O3-FeO |
2023 |
40,482 |
36 |
35 |
2,778 |
Однако обнаружены также системы (Ag-Si, Ag-Be, Au-Si, Pb-As, Bi-Sn, Zn-Ge), для которых рассчитанные значения щ2(эвт) значительно отличаются от их действительной величины (погрешность для вышеперечисленных систем составила 34,750 %, 39,276 %, 28,600 %, 19,681 %, 41,414 % и 32,200 % соответственно) и, следовательно, закон Рауля в них не соблюдается.
То или иное отношение систем к закону Рауля принято связывать с различной растворимостью компонентов, однако наш анализ этого не подтверждает. Выяснилось, что влияние растворимости компонентов на отношение рассмотренных систем к закону Рауля проявляется неоднозначно, и выявление критериев, позволяющих определять отношение систем к этому закону, требует дополнительных исследований.
Показана возможность применения криоскопического метода для оценки термодинамической активности второго компонента системы а2=г2·N2 (где г2 и N2 - соответственно, коэффициент активности и мольная доля второго компонента раствора) в интервале концентраций и температур, где соблюдается закон Рауля.
Из известного соотношения , видно, что при ДТЗ=КЗ•m, величина г2=1, следовательно, а2 равна мольной доле второго компонента в растворе. Исходя из этого, рассчитаны, например, линии изоактивности вторых компонентов и изомоляльности жидкости в двухфазной области системы Fe-C и Al-Si.
Следующим шагом развития криоскопического метода исследования стало установление возможности расчета линий фазовых равновесий в эвтектических системах. Поскольку криоскопическая константа является величиной постоянной, то отношение понижения температур замерзания к моляльности раствора ДТЗ/m также является постоянным для всех точек на линии ликвидус (рис. 2).
Исходя из этого, получили уравнение (4), позволяющее определить массовую долю второго компонента в любой точке 2, лежащей на линии ликвидус, по известным значениям массовой доли второго компонента и температуры раствора в точке 1
, (4)
где щ2,1(л) и щ2,2(л) - массовая доля второго компонента соответственно в точках 1 и 2, масс. %,
Т1(л) и Т2(л) - температура плавления сплава в точках 1 и 2, К.
Рис. 2 Диаграмма состояния эвтектического типа
Введено представление о сопряженном сплаве, состав которого соответствует составу твердой фазы, образующейся в результате кристаллизации рассматриваемого сплава I при температуре ликвидус. Его кристаллизация начнется в точке л с образованием твердого раствора, состав которого соответствует точке а, а кристаллизация сплава II, имеющего такой состав, начинается в точке с. Сплав II назван нами сопряженным сплавом (рис. 2). Установлено, что отношение величин понижений температур затвердевания сопряженного - ТЗ(с) и рассматриваемого сплавов - ТЗ(л), а также моляльностей этих сплавов (mл и mс - моляльности сплавов в точках л и с,) в системах эвтектического типа является величиной постоянной.
. (5)
Рассчитаны значения этой постоянной в различных системах (табл.2).
Установлена зависимость i от природы компонентов системы. В ряде систем (см. табл. 3) i приемлемо соотносится с квадратом разности электроотрицательностей атомов компонентов систем
i ? (х1-х2)2, (6)
где х1 и х2 - электроотрицательности атомов компонентов системы.
В этих расчетах электроотрицательности атомов взяты по Полингу. Выяснилось, что применение других шкал электроотрицательностей - Малликена и Олреда - Рохова приводит к чрезмерной неточности результатов.
Надо заметить, что полученная зависимость i(Дх) распространяется не на все системы эвтектического типа. Например, неудовлетворительные результаты расчета величины i получены для систем Cd-Pb и Bi-Sn. Это указывает на необходимость уточнения методики расчета с использованием, наряду с электроотрицательностями атомов, также и других величин физических и химических свойств компонентов систем.
Обнаружено серьезное системообразующее значение постоянной i. Из уравнения (5) следует взаимосвязь моляльностей сопряженного и рассматриваемого сплава mc=i·mл. Поэтому, при подставлении в это уравнение значения моляльностей сплавов, получено уравнение
(7)
где щ2(с) и щ2(л) - массовая доля второго компонента сплава соответственно на линии солидус и ликвидус при данной температуре, позволяющее рассчитать положение линии солидус системы исходя из соответствующей концентрации второго компонента на линии ликвидус.
Таблица 2
Значения постоянной системы i для некоторых диаграмм состояния эвтектического типа
Система |
i |
Система |
i |
Система |
i |
|
Fe-C |
0,48 |
Mg-Pb |
0,3 |
CeCl3-BaCl2 |
0,19 |
|
Al-Si |
0,09 |
Cd-Pb |
0,29 |
Rb2SO4-CaSO4 |
0,19 |
|
Ag-Be |
0,21 |
FeO-Al2O3 |
0,5 |
La2(MoO4)3-Rb2MoO4 |
0,23 |
|
Bi-Sn |
0,3 |
GaI3-SnI2 |
0,34 |
Ag2WO4-K2WO4 |
0,25 |
|
Al-Cu |
0,12 |
- |
- |
- |
- |
Таблица 3
Результаты расчета постоянной i
Система |
Электроотрица-тельности атомов |
i |
|||
По уравнению |
По уравнению |
||||
х1 |
х2 |
(6) |
(5) |
||
Fe-C |
1,8 |
2,5 |
0,49 |
0,48 |
|
Al-Si |
1,5 |
1,8 |
0,09 |
0,09 |
|
Ag-Be |
1,9 |
1,5 |
0,16 |
0,21 |
|
Mg-Pb |
1,2 |
1,8 |
0,36 |
0,3 |
|
Al-Cu |
1,5 |
1,9 |
0,16 |
0,12 |
Рис. 3 Результаты расчета положения линий ликвидус и солидус системы Al-Si
Полагая в системах Al-Si (рис. 3), GaI3-SnI2 (рис. 4) и др. известными координаты точки эвтектики - определив их по диаграммам состояния этих систем, - рассчитано положение линий ликвидус и солидус доэвтектической области систем по уравнениям (4) и (7). Рассчитанные величины концентраций вторых компонентов систем на рис. 3 и 4, представлены точками, нанесенными на известные фазовые диаграммы этих систем и, как видно, результаты расчета оказываются достаточно точными.
Рис. 4 Результаты расчета положения линий ликвидус и солидус системы GaI3-SnI2
В солевых системах криоскопический метод дает дополнительные возможности исследования структуры расплава - используя его, можно рассчитать не только положение линий ликвидус и солидус систем, но и положение линий теоретических температур кристаллизации сплава - ДТЗт (на рис. 4 она показана пунктиром) и, исходя из этого, рассчитывать изотонические коэффициенты систем
i*=ДТЗд/ДТЗт, (8)
где ДТЗд - действительная величина понижения температуры кристаллизации расплава, и величины кажущейся степени диссоциации второго компонента в расплавах
б= (i*-1)/(n-1), (9)
где n - число ионов, образующихся при диссоциации молекулы соли.
Установлено, в частности, что величины изотонического коэффициента и степени диссоциации второго компонента в концентрационных интервалах сплавов, в которых соблюдается закон Рауля, остаются постоянными.
Четвертая глава посвящена криоскопическому методу исследования неравновесных состояний систем эвтектического типа.
Рис. 5 Положение критических точек и линий фазового равновесия в неравновесных состояниях системы Fe-C: Е1С1 - линия эвтектики при смещении [Cэвт] влево, линии эвтектики Е2С2, Е3С3, и Е4С4, при смещении [Cэвт] вправо, [Cэвт]4>[Cэвт]3>[Cэвт]2>[Cэвт]
Анализ, выполненный с привлечением известных экспериментальных данных, полученных в РГАТА при изучении неравновесных расплавов синтетического чугуна и модифицированной заэвтектоидной стали, показал, что криоскопический метод позволяет рассчитывать эвтектические концентрации и положения линий ликвидус и солидус системы в этих состояниях. Установлено, что в неравновесных состояниях системы Fe-C (при постоянном давлении) критические точки С и Е располагаются либо соответственно на линиях ликвидус и солидус равновесной диаграммы состояния системы, если эвтектическая точка смещается влево, либо на продолжении этих линий в направлении понижения температуры, если точка эвтектики смещается вправо (рис. 5).
Было установлено, что результаты криоскопического исследования системы Fe-C закономерно отражают субмикрогетерогенное строение реальных железоуглеродистых расплавов, обусловленное существованием растворенного в них углерода в различных структурных состояниях. С этих же позиций изучили особенности структурообразования в расплавах систем Al-Si.
Исследование особенности структурообразования в Al-Si-расплавах проводили с использованием известного метода физико-химического анализа, позволяющего косвенно судить о характере межатомных взаимодействий и структуре расплавов, основываясь на результатах определения различных свойств затвердевших сплавов. Проведенные экспериментальные исследования доэвтектических (Al+9,9 масс.% Si) и заэвтектических (Al+13,1 масс.% Si) сплавов показали, что tэвт при изотермической выдержке таких расплавов закономерно изменяется - сначала она уменьшается, достигая некоторого минимума, а далее начинает возрастать, приближаясь к равновесной. Столь же экстремально изменяется [Siэвт] в расплавах, рассчитанная по уравнению (3), исходя из значений tэвт (рис. 6). Это свидетельствует о том, что состояние расплавов в рассматриваемых условиях непрерывно изменяется, сначала все более отдаляется от равновесного, а затем возвращается к нему.
При постоянных температуре и давлении фактором, смещающим химическое равновесие, может быть только изменение концентрации веществ в системе, но в ходе исследований массовая доля Si в расплавах оставалась неизменной, и, если бы Si находился лишь в одном структурном состоянии, то смещение равновесия оказалось невозможным, так как концентрация кремния тоже бы не изменялась. Возможным же это становится только в том случае, когда в расплаве существуют достаточно устойчивые химические соединения атомов Si - подобные ассоциации атомов называют сиботаксисами, кластерами или микрогруппировками - и в тех или иных условиях состав таких соединений изменяется. Поэтому наблюдаемое смещение равновесия в системе свидетельствует о субмикрогетерогенном строении Al-Si расплава, которое обусловлено существованием растворенного кремния в различных структурных состояниях.
Рис. 6 Изменение эвтектической концентрации кремния [Siэвт] и температуры эвтектики tэвт в процессе изотермической выдержки расплавов: 1 - Al + 9,9 %Si; 2 - Al + 13,1 %Si
По данным металлографических исследований, в сплавах формировалась микроструктура, типичная для Al-Si-сплавов: в доэвтектическом сплаве она состояла из б-твердого раствора и кристаллов эвтектического кремния; в заэвтектическом - из кристаллов первичного кремния, а также б-твердого раствора и кристаллов кремния, образующихся при эвтектической кристаллизации сплава (рис. 7 и рис. 8.).
Согласно общей закономерности, смещение эвтектической точки вправо, в сторону увеличения концентрации Si, свидетельствует об увеличении плотности валентных электронов у остовов атомов Al, то-есть об уменьшении химического взаимодействия Si-Si и увеличении взаимодействия Al-Si и, в целом, об увеличении растворимости Si в расплаве Al. Смещение эвтектической точки влево, напротив, отражает увеличение локализации валентных электронов у остовов атомов Si, при этом уменьшается взаимодействие Al-Si, увеличивается взаимодействие Si-Si и растворимость Si в расплаве уменьшается.
Рис. 7 Фотографии микроструктуры сплава - Al + 9,9 масс. %Si, Ч100. Травление NaOH
Рис. 8 Фотографии микроструктуры сплава Al+13,1 масс. %Si, Ч100. Травление NaOH
Отметим, что таким же образом проявляется субмикрогетерогенность строения Fe-C-расплавов, что, по-видимому, указывает на сходство физико-химических механизмов формирования структуры расплавов той и другой систем.
Представлен механизм растворения Si в Al-Si-расплаве, заключающийся в двух процессах, протекающих одновременно, но с различной скоростью: 1 - кристаллическая структура Si разрушается полностью и Si переходит в расплав в виде ионов Sin+ - это макрорастворение; 2 - микрорастворение, то-есть равновесное распределение Si в структуре расплава.
Изложенные представления о механизме растворения Si подтверждаются характером изменения межатомных расстояний Al-Al в кристаллической решетке б-твердого раствора аб в зависимости от продолжительности выдержки расплава (рис. 9). Уменьшение аб, по всей вероятности, является следствием уменьшения величин орбитального радиуса атомов Al, вызванного повышением плотности внешних электронов и приближением максимумов их плотности к ядрам атомов. Известная закономерность такова, что с уменьшением межатомных расстояний пропорционально увеличивается прочность кристаллической решетки, что, в частности, подтверждается характерным изменением в рассматриваемых условиях микротвердости твердого раствора (рис. 10).
Рис. 9 Изменение межатомных расстояний Al-Al б - твердого раствора аб в зависимости от продолжительности изотермической выдержки расплава ф: 1 - Al + 9,9 %Si; 2 - Al + 13,1 %Si
Рис. 10 Зависимость микротвердости б - твердого раствора H5 от продолжительности изотермической выдержки расплава ф: 1 - Al + 9,9 %Si; 2 - Al + 13,1 %Si
В сформировавшейся по завершении растворения кремния равновесной системе можно выделить три характерные области субмикрогетерогенности Al-Si расплава при температурах, близких к температуре ликвидус: 1 -область низких концентраций Si (до ~2,5%) - растворенный Si находится в расплаве в виде ионов Sin+; 2 - вплоть до [Siэвт] растворенный Si существует в виде атомных микрогруппировок; 3 - заэвтектическая область системы, где кремний присутствует в расплаве в виде микрогруппировок, имеющих характер радикалов макромолекул Si, состав и строение которых усложняются по мере повышения концентрации Si в сплаве.
С использованием криоскопического метода рассчитаны линии ликвидус и солидус системы Al-Si в неравновесных состояниях (на рис. 11 они показаны пунктиром).
В заэвтектической области система Al-Si не подчиняется закону Рауля, однако из анализа известной фазовой диаграммы этой системы эмпирически получено уравнение для расчета положения заэвтектической линии ликвидус
(10)
где ti - температура ликвидус сплава, содержащего [Si]i масс. % кремния.
Это уравнение справедливо как для равновесного, так и для неравновесных состояний системы в интервале концентраций кремния до 30%.
Рис. 11 Положение рассчитанных линий ликвидус и солидус в различных неравновесных состояниях системы Al-Si (Al+13,1 масс. %Si)
Примечание: точками на выноске показаны координаты начала кристаллизации сплавов определенные по кривым охлаждения этих сплавов
Сравнение рассчитанных по уравнению (10) значений ti и полученных экспериментально подтверждает возможность такого расчета (рис. 11)
Своеобразно проявляется микронеоднородность строения расплавов в солевых системах эвтектического типа. Наш анализ обнаружил существование большого количества таких систем, в расплавах которых значение i*?1, т.е. при растворении соли число частиц в расплаве не увеличивается, как следовало бы ожидать, имея в виду её электролитическую диссоциацию, а, напротив, уменьшается.
Установлено, что для подобных систем характерны те же закономерности отношения к закону Рауля, что и для рассмотренных ранее (рис. 12), а линии фазовых равновесий - и теоретические и действительные - также могут быть рассчитаны криоскопическим методом (рис. 13).
Рис. 12 Изменение рассчитанных молярных масс M2 соответственно InCl3(1), BaCl2 (2), CaSO4 (3) и NaCl (4) в зависимости от их содержания в сплавах CdCl2-InCl3, CeCl3-BaCl2, Rb2SO4-CaSO4 и Na2SO4-NaCl
Рис. 13 Результаты расчета положения действительной линии ликвидус и солидус и линии теоретических температур кристаллизации расплава системы CeCl3-BaCl2
Выполнены экспериментальные исследования солевого расплава (Na2SO4+15 масс. % NaCl), который изотермически выдерживали в тигле, периодически отбирая пробы для получения кривых охлаждения. Выяснилось, что при такой выдержке состояние расплава непрерывно изменяется, как и в металлических системах Fe-C и Al-Si, сначала удаляясь от равновесного, затем приближаясь к нему (рис. 14), что однозначно свидетельствует о субмикрогетерогенности расплава. Представлен вероятный физико-химический механизм растворения соли, который также включает два одновременно протекающих процесса - во-первых, полное разрушение кристаллической структуры растворенной соли и переход её в раствор в виде ионов, это процесс макрорастворения, и второй процесс - микрорастворения, когда образовавшиеся ионы объединяются с образованием равновесных микрогруппировок. При этом состав и устойчивость таких микрогруппировок, обусловливающие величину изотонического коэффициента раствора, зависят от природы солей, образующих данную систему.
Рис. 14 Изменение температуры эвтектики tэвт и эвтектической концентрации хлорида натрия [NaClэвт] в процессе изотермической выдержки расплава Na2SO4+15 масс. % NaCl
Приняв в качестве известных координаты эвтектических точек - tэвт и [NaClэвт] в различных неравновесных состояниях (рис. 14), для каждого из этих состояний с использованием криоскопического метода были рассчитаны положения действительной и теоретической линии ликвидус образовавшихся неравновесных систем. Во всех случаях рассчитанные линии практически совпали с линией ликвидус равновесной диаграммы состояния системы, и поэтому можно заключить, что, как и в металлических системах, в неравновесных состояниях солевой системы (при постоянном давлении) положение линии ликвидус на диаграмме состояния в ее доэвтектической части не изменяется.
Выяснилось, что значение изотонического коэффициента i* в области концентраций расплава, где соблюдается закон Рауля, остается постоянной и в неравновесных состояниях расплава. По-видимому, независимость i* от концентрации отражает некоторую существенную закономерность формирования субмикронеоднородности расплавов, общую для солевых систем эвтектического типа, регламентирующую состав и размеры микрогруппировок второго компонента, образующихся в расплавах.
На основании криоскопического метода разработаны алгоритм и программа LIQSOL, позволяющие рассчитывать эвтектические концентрации и положение линий ликвидус и солидус двойных систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях, используя персональные компьютеры, работающие под управлением операционных систем MS Windows 95/98/NT/ME /2000/XP/2003. Для реализации программы используется RAD среда Borland Delphi 7.0. Приводятся рекомендации ее использования на практике.
В заключении рассмотрена физико-химическая природа свойств идеальных растворов, проявляемых расплавами рассматриваемых систем, представленная в рамках известной квазихимической теории, а также сформулированы общие выводы по работе.
В целом основные результаты работы сводятся к следующему:
1. Впервые обнаружено существование большого количества различных двойных систем эвтектического типа - металлических, солевых, силикатных, алюминатных - расплавы которых в широких интервалах концентраций подчиняются закону Рауля и, следовательно, обладают свойствами идеальных растворов.
2. На основании закона Рауля разработан метод расчета эвтектической концентрации второго компонента в двойных системах эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях.
3. Введено представление о сопряженном сплаве. Установлено, что отношение понижений температур затвердевания сопряженного и рассматриваемого сплавов в системах эвтектического типа является постоянной величиной в равновесном и неравновесных состояниях расплава. Установлена зависимость постоянной i от природы компонентов системы.
4. На основании закона Рауля получены уравнения, позволяющие с высокой точностью рассчитывать положение линий ликвидус и солидус систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус.
5. Показана применимость полученных уравнений для расчета теоретических температур кристаллизации солевых расплавов, коэффициента Вант-Гоффа и кажущейся степени диссоциации второго компонента системы в равновесном и неравновесных состояниях. Установлено, что i* и б в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля постоянны.
6. Впервые получено экспериментальное доказательство субмикрогетерогенного строения расплавов системы Al-Si и солевых систем и предложен вероятный физико-химический механизм формирования структуры расплавов систем эвтектического типа.
7. Установлено, что в неравновесных состояниях систем критические точки располагаются либо соответственно на линиях ликвидус и солидус равновесной диаграммы состояния системы, если эвтектическая точка смещается влево, либо на продолжении этих линий в направлении понижения температуры, если эвтектическая концентрация в сплаве возрастает.
8. Установлена возможность изучения процессов структурообразования в различных системах эвтектического типа с единых научных позиций.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах
1. Щапов, В.А. Термодинамическое исследование металлических сплавов эвтектического типа [Текст] / В.А. Щапов // Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве. Т.2.: тез. докл. науч-техн. конф. Рыбинск: РГАТА, 2007. С. 108-113.
2. Кимстач, Г.М. О возможности использования закона Рауля при исследовании сплавов эвтектического типа [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов; Рыбинская государственная авиационная технологическая академия. Рыбинск, 2007. 16 с. Деп. в ВИНИТИ 27.03.2007, №326-В2007.
3. Щапов, В.А. Криоскопическое исследование металлических сплавов эвтектического типа [Текст] / В.А. Щапов // Наука и технологии. Тезисы докладов ХХVII Российской научной школы. Миасс: МСНТ, 2007. С. 129.
4. Кимстач, Г.М. О возможности использования метода криоскопии при исследовании сплавов эвтектического типа [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т.51. Вып. 1. С. 54-58.
5. Кимстач, Г.М. Использование закона Рауля для расчета диаграмм состояния систем эвтектического типа [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т.51. Вып. 2. С. 24-26.
6. Кимстач, Г.М. О субмикрогетерогенном строении расплавов системы Al-Si [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов, В.А. Изотов // Металлургия машиностроения. 2007. № 6. С. 46.
7. Кимстач, Г.М. О криоскопическом исследовании двойных систем эвтектического типа [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов; Рыбинская государственная авиационная технологическая академия. Рыбинск, 2008. 19 с. Деп. в ВИНИТИ 25.03.2008, №248-В2008.
8. Щапов, В.А. Исследование двойных солевых, силикатных и алюминатных систем эвтектического типа методом криоскопии [Текст] / В.А. Щапов // Шестьдесят первая научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов: тез. докл. науч-техн. конф. Ярославль: ЯГТУ - 2008. С. 339.
9. Кимстач, Г.М. Программа LIQSOL для расчета линий фазовых равновесий в двойных системах с эвтектикой [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов, Е.Г. Степанов, Л.А. Щапова. // Справочник. Инженерный журнал. 2008. № 10. С. 21-23.
10. Кимстач, Г.М. Исследование особенностей структурообразования в расплавах системы Al-Si [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 9. С. 44-48.
11. Кимстач, Г.М. О возможности исследования системы Fe-C методом криоскопии [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Металлургия машиностроения. 2008. № 3. С. 20-24.
12. Кимстач, Г.М. О криоскопическом исследовании двойных систем [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2008. Т.51- Вып. 11. С. 106-110.
13. Кимстач, Г.М. Об особенностях структурообразования в солевых расплавах [Текст] / Кимстач Г.М., В.А. Щапов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 8. С. 27-31.
14. Кимстач, Г.М. О криоскопическом методе исследования процессов структурообразования в двойных системах эвтектического типа [Текст] / Г.М. Кимстач, В.А. Щапов // Наука и технологии. Тезисы докладов ХХIX Российской научной школы. Миасс: МСНТ, 2009. С. 117.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Диаграммы, изучение основных типов диаграмм состояния двойных систем, приобретение практических навыков изучения превращений, протекающих при кристаллизации сплавов. Анализ полученных данных и определение возможности их использования па практике.
методичка [349,8 K], добавлен 06.12.2008Определение типа производства по заданной годовой программе. Разработка маршрутного и операционного технологического процессов механической обработки вала-червяка, выбор метода и способа получения заготовки. Расчет припусков на обработку и режимы резания.
курсовая работа [322,0 K], добавлен 14.09.2010Понятие о металлических сплавах. Виды двойных сплавов. Продукты, образующиеся при взаимодействии компонентов сплава в условиях термодинамического равновесия. Диаграммы состояния двойных сплавов, характер изменения свойств в зависимости от их состава.
контрольная работа [378,1 K], добавлен 08.12.2013Изучение методики построения диаграмм состояния металлических сплавов. Исследование физических процессов и превращений, протекающих при кристаллизации сплавов. Виды термической обработки. Анализ влияния температуры на растворимость химических компонентов.
контрольная работа [4,4 M], добавлен 21.11.2013Проектирование технологического процесса изготовления детали типа "вал", выбор оборудования, приспособлений, режущего и мерительного инструментов. Определение метода получения заготовки и его технико-экономическое обоснование. Расчет режимов резания.
курсовая работа [289,6 K], добавлен 05.02.2015Расчет программы запуска деталей в производство и определение типа производства. Анализ технических условий и технологичности конструкции детали. Определение метода и способа получения заготовки. Разработка маршрутного описания механической обработки.
курсовая работа [47,2 K], добавлен 14.01.2011Обоснование типа производства. Выбор метода обработки элементарных поверхностей деталей. Разработка маршрута изготовления детали. Выбор вида заготовки и её конструирование. Общая характеристика станка. Нормирование токарных операций. Расчёт силы зажима.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 06.04.2016Анализ служебного назначения и технологичности детали, свойства материала. Выбор метода получения заготовки и определение типа производства. Экономическое обоснование метода получения заготовок. Расчет технологических размерных цепей и маршрут обработки.
курсовая работа [77,1 K], добавлен 07.12.2011Системы подвижных взаимосвязанных и параллельных сил. Методы расчета на подвижную нагрузку. Построение линий влияния усилий простой балки в статически определимых системах. Построение линий влияния при узловой передаче нагрузки, определение усилий.
презентация [136,2 K], добавлен 24.05.2014Методика выполнения измерений: сущность, аппаратура, образцы, методика испытания, обработка результатов. Теоретические основы расчета неопределенности. Проектирование методики расчета неопределенности измерений. Пример расчета и результаты измерений.
курсовая работа [296,2 K], добавлен 07.05.2013Анализ служебного назначения детали и физико-механические характеристики материала. Выбор типа производства и метода получения заготовки. Разработка технологического маршрута, плана изготовления и схем базирования детали. Расчет режимов резания.
дипломная работа [467,9 K], добавлен 12.07.2009Основные физико-химические свойства пыли. Оценка пылеулавливания батарейного циклона БЦ 250Р 64 64 после модернизации. Анализ метода обеспыливания газов для обеспечения эффективного улавливания с использованием физико-химических свойств коксовой пыли.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 09.11.2014Специфика поведения порошковых материалов типа гафний-бор под действием ударного импульса. Модель физико-химических процессов в реагирующей порошковой среде гафний-бор. Рекомендации к промышленному производству диборида гафния с заданием формы детали.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 04.08.2012Разработка технологического процесса изготовления корпуса гидроцилиндра типа Г29-3 в условиях среднесерийного типа производства. Анализ назначения и условий работы детали, технологический маршрут и план ее изготовления. Выбор и проектирование заготовки.
дипломная работа [637,7 K], добавлен 17.10.2010Устройство и принцип действия пастеризационной установки при производстве пастеризованного молока, механизм теплопередачи через разделяющую стенку от более нагретой среды к менее нагретой. Разработка метода расчета теплообменного аппарата, его параметры.
курсовая работа [382,5 K], добавлен 13.03.2011Механизм действия, назначение и область применения циклонных аппаратов. Выбор диаметра аппарата как одно из определяющих условий эффективной работы. Проектирование газоочистной установки на основе циклона типа ЦН-11. Требования к установкам циклонов.
курсовая работа [533,2 K], добавлен 27.12.2011Технологический, тепловой, аэродинамический расчет камер для высушивания сосновых пиломатериалов. Определение режима сушки. Выбор типа и расчет поверхности нагрева калорифера. Методика расчета потребного напора вентилятора. Планировка лесосушильного цеха.
курсовая работа [889,5 K], добавлен 24.05.2012Применение химических или физико-химических процессов переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров) при производстве химических волокон. Полиамидные и полиэфирные волокна. Формования комплексных нитей из расплава.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 20.11.2010Выбор метода производства карбамида (мочевины). Основные физико-химические свойства сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. Материальный баланс выпарной установки и стадии кристаллизации. Тепловой баланс выпарки в аппарате пленочного типа.
дипломная работа [391,5 K], добавлен 03.11.2013История развития электрохимического метода обработки металлов. Характеристика методов размерной электрохимической обработки. Теоритические основы электрохимического процесса формообразования. Особенности рабочих процессов физико-химических методов.
реферат [1,4 M], добавлен 21.01.2011