РАСПЛАВЫ
2 • 2013
УДК 534.22:546.3
© 2013 г. В. В. Филиппов1 АКУСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАССЛАИВАЮЩИХСЯ РАСПЛАВОВ Ся-РЬ
Измерения скорости ультразвука в расплавах Оа—РЪ проводились от монотекти-ческой температуры до 1100 К на всем концентрационном интервале импульсно-фа-зовым методом. Обнаружены аномалии на температурных зависимостях скорости ультразвука вблизи критической точки. По результатам акустических измерений определена граница области расслаивания. Температуры расслаивания, измеренные акустическим методом, хорошо согласуются с литературными данными.
Ключевые слова: скорость ультразвука, расплавы Оа—РЪ, область расслаивания.
В системах с куполом несмешиваемости в области однофазных состояний расплавов фиксируются признаки обособления микросегрегаций атомов одного сорта. Дифракционные кривые таких расплавов могут быть представлены как результат суперпозиции дифрактограмм чистых компонентов [1]. На изотермах свойств при температурах, незначительно превышающих критическую температуру расслаивания, вблизи критической концентрации отмечаются различные аномалии (в частности, максимумы вязкости и электросопротивления [2]). Появление указанных микросегрегаций в таких системах связано с преимущественным взаимодействием одноименных атомов, и вблизи критической точки может осуществляться флуктуационным путем. Однако по мере удаления от нее масштаб флуктуаций должен быстро убывать.
В настоящей работе приводятся результаты измерений скорости ультразвука в расплавах Оа—РЪ. По этим данным определена граница области расслаивания.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Скорость распространения ультразвука в исследуемых расплавах и, измеряли им-пульсно-фазовым методом. Он основан на прямых измерениях длины волны X и частоты / звука и последующем расчете скорости его распространения по формуле
и, = X/. (1)
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Генератор типа Г5-72 вырабатывает прямоугольные электрические сигналы длительностью 1—5 мкс с частотой следования ~800 Гц, которые формируют импульсы высокочастотного / = 33.83 МГц) синусоидального напряжения, поступающего от генератора типа Г4-151. Амплитуда импульсов плавно регулируется в пределах от 0 до 10 В. Импульсы поступают на нижние излучающие пьезоэлементы измерительной и эталонной ячеек аналогичной конструкции, соединенных между собой параллельно. Рабочая ячейка предварительно заполняется исследуемым металлическим расплавом, а эталонная — дистиллированной водой.
После прохождения акустических импульсов через измерительную и эталонную ячейки они поступают на верхние приемные пьезоэлементы, где снова преобразовываются в электрические импульсы. Так как времена задержки акустических сигналов в обеих ячейках подбираются приблизительно одинаковыми, электрические импульсы на их выходе, передаваемые по соединительной цепи, интерферируют между собой.
1уу1И1рроу@та11.ги.
Рис. 1. Блок-схема установки.
1 — генератор импульсных сигналов, 2 — генератор синусоидальных сигналов, 3 — частотомер, 4 — цифровой вольтметр, 5 — термопара, 6 и 11 — пьезоэлементы, 7 и 10 — волноводы, 8 — контейнер с исследуемым образцом, 9 — контейнер с эталонной жидкостью, 12 — цифровой микрометр, 13 — селективный усилитель, 14 — цифровой осциллограф.
Результат этой интерференции усиливается в селективном приемнике и наблюдается на экране осциллографа.
Верхний волновод измерительной ячейки может перемещаться вдоль ее вертикальной оси. Его перемещение измеряется цифровым микрометром с ценой деления 0.001 мм. При этом на осциллографе фиксируется последовательность экстремумов интерференционных сигналов, расстояния меду которыми равняются длине звуковой волны X.
Следовательно, длина звуковой волны в исследуемой жидкости может быть рассчитана по формуле
X = АН/и, (2)
где и — число минимумов суммарного колебания, зафиксированных на экране осциллографа при перемещении верхнего волновода измерительной ячейки на АН. Тогда с учетом соотношений (1) и (2) скорость звука в исследуемой жидкости определится выражением
и5 = (АН/и)/. (3)
Отличительной чертой данного метода акустических измерений является возможность измерения локальных значений скорости ультразвука на различных расстояниях от дна тигля, позволяющая обнаружить макроскопическую неоднородность расплава по высоте (например, разделение расплава на две жидкие фазы). В работах [3, 4] показано, что положение границы между двумя жидкостями можно определить не только по скачку скорости ультразвука, но и по резкому уменьшению амплитуды уль-
тразвукового сигнала, проходящего через расплав. Причем точность определения этой границы по амплитуде ультразвукового сигнала на порядок выше, чем по скорости ультразвука [4]. Температуру расслаивания можно определить по появлению или исчезновению границы между двумя жидкостями при охлаждении или нагреве образца.
Другой метод определения кривой расслаивания основан на измерении скорости ультразвука в одно- и двухфазных областях. По результатам измерений температурных зависимостей скорости ультразвука в однофазной области для сплавов различного состава определяли их концентрационные зависимости. В двухфазной области измеряли температурно-концентрационную зависимость и5(Т, х) вдоль кривой расслаивания. Точки пересечения указанных изотерм скорости ультразвука с кривой и5(Т, х) определяют координаты области расслаивания для соответствующей температуры.
В работах [5, 6] был предложен вариант чрезвычайно чувствительного и вместе с тем простого метода статического нагружения (СН) для нахождения точек солидуса, монотектических и эвтектических температур. Предложенный метод можно также реализовать, используя оборудование для измерения скорости ультразвука импульсно-фазовым методом. Температурную зависимость размера твердой части образца Н (т.е. расстояния между плотно прижатыми к ней волноводами) определяли при нагреве со скоростью 0.5—1 К/час. В момент появления жидкой фазы при небольшой нагрузке на верхний волновод значения Н резко уменьшаются, что позволяет зафиксировать температуру фазового перехода с точностью не менее 0.5 К. Температуру конца плавления образца можно определить по появлению акустического сигнала [4].
Несущую частоту / акустических колебаний, равную 33.83 МГц, измеряли электронным частотомером с абсолютной погрешностью ±50 Гц, что составляет в относительных единицах около ±2 • 10-4%. Поэтому основной вклад в погрешность определения скорости ультразвука вносит погрешность измерения длины звуковой волны. Для повышения точности проводимых экспериментов необходимо увеличивать акустическую базу этих измерений АН.
Образцы сплавляли непосредственно в кварцевой измерительной ячейке из галлия, содержащего не менее 99.999 мас. % основного компонента, и свинца чистотой не менее 99.99 мас. %. Измерения скорости ультразвука проводили в атмосфере высокочистого гелия в режиме охлаждения от 1100 К до монотектической температуры. Каждая экспериментальная точка получена после изотермической выдержки образца в течение не менее 30 мин при точности поддержания температуры ±0.5 К. Соответствующее данной температуре значение скорости ультразвука представляет собой усредненный результат 10—20 измерений при акустической базе АН = 3—4 мм. Случайная погрешность определения среднего значения не превышает 0.3% при систематической погрешности около 0.03%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведены измерения скорости ультразвука и5 в зависимости от температуры для чистых галлия, свинца и их сплавов, содержащих 10, 20, 30, 35, 38, 40, 44, 50, 60, 70, 80 и 90 ат. % Оа.
Температурные зависимости и5 в жидких сплавах галлия со свинцом показаны на рис. 2. Скорость ультразвука линейно возрастает с понижением температуры вплоть до температуры расслаивания Тр для всех исследованных составов за исключением расплавов, содержащих 35, 38 и 40 ат. % РЪ, в которых и5 отклоняется от линейного хода ниже 910 К. Данная аномалия связана с преимущественным взаимодействием одноименных атомов и вблизи критической точки.
Для исследованных составов коэффициенты уравнения
и(Т) = Ь0 - ЪХТ, (4)
полученные методом наименьших квадратов, приведены в табл. 1.
Ч,, м/с 2800
2600
24000 -
2200
2000 -
1800
35 38 40 44
50
600
700
800
900
1000
Т, К
Рис. 2. Температурные зависимости скорости ультразвука в расплавах Оа—РЪ в фазах, обогащенных галлием (А) и свинцом (■), и в однофазной области (•). Цифры у кривых — содержание свинца в сплаве, ат. %.
Ниже Тр кривая и,( Т) разделяется на две: нижняя ветвь описывает скорость ультразвука в фазе, обогащенной свинцом и"дф, а верхняя — в фазе, богатой галлием и^дф. При дальнейшем понижении температуры скорость ультразвука в двухфазной области
изменяется вдоль кривых и!,дф и и"дф вплоть до монотектической температуры. Кривые идф и и"дф ограничивают область сосуществования двух жидкостей на диаграмме и, — Т. Температура, при которой смыкаются эти кривые, является критической.
Таблица 1
Коэффициенты уравнения (4), погрешность определения скорости ультразвука йи8 и соответствующие температурные интервалы измерений
х, ат. % РЬ Ьс м/с Ь1, м/(с ■ К) м/с т, к
0 2934.7 ± 5.2 0.191 ± 0.015 1.6 303-380
2973.7 ± 2.2 0.299 ± 0.004 3.4 380-1000
10 2746.3 ± 7.4 0.267 ± 0.008 2.1 787-1090
20 2571.5 ± 7.7 0.278 ± 0.008 1.4 862-1090
30 2405.9 ± 8.0 0.237 ± 0.008 1.5 879-1080
35 2348.8 ± 6.5 0.248 ± 0.007 1.3 900-1110
38 2317.8 ± 5.3 0.247 ± 0.005 1.3 907-1100
40 2295.3 ± 4.9 0.236 ± 0.005 0.9 910-1120
44 2262.7 ± 3.8 0.249 ± 0.004 1.4 885-1100
50 2213.7 ± 5.1 0.239 ± 0.005 1.0 876-1080
60 2142.0 ± 9.1 0.234 ± 0.009 1.6 872-1070
70 2097.8 ± 4.0 0.253 ± 0.004 0.9 852-1080
80 2056.6 ± 8.1 0.266 ± 0.009 1.3 808-1000
90 2017.9 ± 5.7 0.271 ± 0.006 1.6 707-1030
100 1976.7 ± 2.9 0.271 ± 0.004 1.2 601-920
Отклонение наших значений и5 от данных Регеля с сотр. [7], полученных на частоте 5 МГц, на всем температурном и концентрационном интервалах не превышает 0.6%. Исключение составляет расплав с 40 ат. % РЬ, в котором авторы работы [7] не обнаружили аномалии на зависимости и5( Т) вблизи Тр.
На рис. 3 приведены ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.