ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 572-578
УДК 536.652
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ГРАНИЦ ПОЛИМОРФНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВЕ Zr-l% N5 В РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМАХ
© 2004 г. В. Э. Пелецкий, И. И. Петрова, Б. Н. Самсонов
Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, Москва Поступила в редакцию 27.10.2003 г.
Методом импульсного резистивного нагрева проведены исследования структурного превращения в слаболегированном цирконии. Выявлена зависимость температуры превращения от направления процесса: на стадии охлаждения переход происходит при меньших температурах, чем это имеет место при нагреве образца. Поставлены эксперименты с прерыванием нагрева в области двухфазного состояния. Обнаружена задержка возврата к низкотемпературной фазе, ведущая к немедленному спаду температуры после отключения греющего тока вне зависимости от завершенности процесса структурной перестройки.
ВВЕДЕНИЕ
Полиморфное превращение в цирконии и низколегированных сплавах на его основе относится к фазовым превращениям первого рода, а следовательно, сопровождается тепловым эффектом и скачкообразным изменением физических характеристик, температурная зависимость которых обусловлена типом кристаллической решетки. Для чистого циркония, как известно, этот фазовый переход состоит в замене гексагональной плотно упакованной решетки кристалла, устойчивой при низких температурах, на структуру объемно-центрированного куба. Введение в металл для улучшения его технологических свойств небольшого количества ниобия приводит к образованию твердого раствора, наследующего структурное строение базового металла с его полиморфизмом. Температура, при которой происходит перестройка, является предметом многолетних экспериментальных исследований. Основным способом ее определения является изучение температурной зависимости одной или нескольких физических характеристик металла. Аномалии соответствующей политермы трактуются как проявление фазового перехода. При всей кажущейся простоте такого рода исследований фиксируемые параметры превращения заметно различаются. Так, даже для чистого циркония это расхождение превышает десятки градусов [1]. Можно указать на две группы причин, по которым разные эксперименты дают отличающиеся результаты.
Первая - физико-химическая. Цирконий и его сплавы химически активны, и активность возрастает с ростом температуры. Следовательно, любой тип конкретного температурного датчика подвержен химической атаке со стороны диагностируемого образца и в результате может изме-
нять свою характеристику. К этому добавляется взаимодействие со средой. Цирконий поглощает кислород и азот, взаимодействует с углекислым газом, парами воды, уничтожая себя во время эксперимента как объект исследования. В разных экспериментах данные факторы могут проявляться по-разному в зависимости от условий опыта.
Вторая группа причин - динамика и направление температурных изменений во время опыта. С этими характеристиками эксперимента связаны специфические погрешности, обусловленные, с одной стороны, возможной неизотермичностью образца, а с другой - и это самое интересное - механизмом фазового превращения и возможностью захода в метастабильные состояния. Если последние могут формироваться, то при разных условиях нагрева или охлаждения должны фиксироваться свои температуры превращения. Последнее обстоятельство заслуживает особого внимания при интерпретации результатов, полученных методом импульсного резистивного нагрева образца с фотоэлектрической регистрацией его температуры. Этот метод в последние десятилетия приобрел особую популярность среди исследователей. Его преимущества применительно к химически активным материалам очевидны. При нагреве со скоростями >103 К/с длительность рабочего цикла измерений в интервале от комнатной температуры до плавления составляет менее одной секунды. Образец в этих условиях не успевает растворить в себе много примесей, и полученные данные о его свойствах можно соотнести с исходным составом. Если в таких опытах изменять темп нагрева, то наблюдаемые различия в температуре фазовой перестройки следует рассматривать как влияние кинетики и механизма фазового превращения.
Т, К е
Т, МО
Рис. 1. Термограммы яркостной и истинной температур опыта по определению монохроматической излучательной способности (МИС) сплава 7г-1% 1 - МИС (0.65 мкм), 2 - истинная температура, 3 - яркостная температура.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Экспериментальная установка и методика измерений. Использованная в настоящей работе экспериментальная установка описана ранее в [2]. Напомним, что исследуемые образцы в виде трубочек нагреваются постоянным электрическим током, величина которого может изменяться за счет варьирования длины образца, напряжения питания и введения активного добавочного сопротивления. В процессе нагрева измеряются величина тока, падение напряжения на выделенном потенциальными зондами центральном участке образца и температура в центральном сечении. Задача измерения температуры решается с помощью двух быстродействующих фотоэлектрических микропирометров, работающих на эффективной длине ~0.65 мкм. Один из пирометров направлен на поверхность образца, другой визируется на щелевой канал в образце, эффективная излуча-тельная способность которого близка к единице [3]. Экспериментом управляет компьютер, оснащенный платой Ь-154. Разработанная программа позволяет либо задать длительность токового импульса, либо остановить нагрев по достижении заданной максимальной температуры. При изучении калорических свойств сплавов циркония с учетом их химической активности необходимо ориентироваться на высокие темпы нагрева образца (до 104 К/с).
Использование данной техники позволило, в частности, выявить зависимость температуры полиморфного превращения от скорости нагрева [4]. Для интервала скоростей нагрева ~900-20000 К/с
яркостная температура превращения сплава Э-110 следовала соотношению
тЬ = 1.03 х 103 + 14.51п ^'Щ ■ (1)
В настоящей работе описываются специальные опыты с этим же сплавом, ставящие целью более детальное изучение параметров фазовой перестройки в данном материале. Нижний предел скоростей нагрева сплава был снижен до 500 К/с, в программу управления экспериментом был введен модуль для прерывания нагрева на стадии выхода образца в область двухфазного состояния и, наконец, была введена регистрация режимов естественного охлаждения образца.
Опыты проводились на серийных оболочках реакторных тепловыделяющих элементов. Используемые образцы, имеющие длину до 75 мм и диаметры 9.13/7.72 мм, нагревались в атмосфере аргона с небольшим избыточным давлением. Рабочая камера перед заполнением аргоном откачивалась до давления ~10-2 мм рт. ст. В экспериментах измерялась яркостная температура. Требуемая для расчета истинной температуры величина монохроматической излучательной способности (МИС) определялась в идентичных условиях в специальном опыте на образце с пирометрической щелью. Результаты этого опыта показаны на рис. 1. Темп нагрева образца в этом опыте составлял примерно 103 К/с. При таких скоростях нагрева можно исходить из предположения об одновременности начала фазовой перестройки по всей толщине стенки образца. В указанном случае правомерно
Те, К
Рис. 2. Типичная термограмма нагрева со скоростью ~50 К/с сплава 7г-1% № с указанием граничных точек фазового а-»- Р-перехода.
при расчете МИС использовать традиционную формулу
X
1п е = —.
с2 V Тгг
11
Ъг
(2)
где длина волны X = 0.65 мкм - эффективная длина волны применяемого пирометра, с2 = 14388 мкм К, а истинная Тт и яркостная ТЪг температуры определяются по термограммам для одного и того же момента времени. Результаты расчетов по формуле (2) показаны кривой 1. Следует отметить, что в области полиморфного превращения, длившегося в данном опыте примерно 100 мс, излуча-тельная способность не была постоянной, а изменялась в пределах 0.65-0.58. Снижение МИС (0.65) по мере нагрева в области Р-фазы связано с ее температурной зависимостью, характерной для циркония [5]. Высокие значения МИС для а-фазы скорее всего обусловлены влиянием тонкой нестехиометрической оксидной пленки, образующейся на начальной стадии нагрева за счет кислорода, адсорбированного на поверхности образца и затем при повышении температуры растворяющегося в металле.
В серии экспериментов по определению зависимости от скорости нагрева яркостной темпера-
туры а —► Р-перехода каждый новый нагрев проводился на новом образце. Это обеспечивало одинаковость исходного состояния образцов. На рис. 2 показана термограмма нагрева с минимальной скоростью (примерно 50 К/с). Температуры начала Та и конца Тр перехода для каждой термограммы определялись в точках отрыва от кривой ТЪт(т) касательной, проведенной вблизи начала перехода в а-фазе и вблизи окончания перехода в Р-фазе. Точки Тн и Тк выделяют линейный участок в зоне двухфазного состояния, а Тс является температурой центра "полочки", где вторая производная температуры по времени равна нулю.
Обсуждение результатов измерений. В таблице показаны новые данные, полученные при сниженных темпах нагрева (~50 и ~100 К/с), и для сравнения данные, полученные ранее при скоростях нагрева ~1000 К/с. Эти результаты подтверждают выводы, сделанные в работе [4], о росте температуры а —► Р-превращения по мере увеличения темпа нагрева: увеличиваются как температура начала превращения, так и температура его завершения.
Как уже было отмечено, модификация программы, управляющей работой пирометра, позволила регистрировать температуру как на стадии на-
Таблица
а-Р-переход дТ/дт = 50 К/с дТ/дт = 100 К/с дТ/дт = 000 К/с
Т К 1 ярк' ^ Т К 1 ист' ^ Т К 1 ярк' ^ Т К ист Т К 1 ярк' ^ Т К ист
Начало перехода, Та Середина перехода, Тс Конец перехода, Тр ДТа-|3 = Тв - Та 1055 1085 1105 50 1080 1112 1133 53 1060 1092 1118 58 1086 1119 1147 61 1075 1125 1150 75 1101 1154 1180 79
Те, К
Рис. 3. Гистерезис температур полиморфного превращения сплава &-1% №. 1,2,3 - выключение тока по достижении температур 1300 К, 1360 К и 1450 К соответственно.
грева, так и в области естественного охлаждения образца после выключения тока.
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.