научная статья по теме МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ПО ТЕРМИЧЕСКИМ КРИВЫМ. II. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Физика

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ПО ТЕРМИЧЕСКИМ КРИВЫМ. II. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА»

РАСПЛ А В 1>1

2 • 2004

УДК 669.112.2-154:66.065.5:531.731.2 © 2004 г. А. А. Романов, В. А. Крашанинин, Н. А. Ватолин, С. С. Александрова

МЕТОДИКА КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА НЕРАВНОВЕСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ПО ТЕРМИЧЕСКИМ КРИВЫМ. II. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА1

В работе [1], часть I, проведен анализ кривых охлаждения (ТА) кристаллизующихся сплавов БЬ-Бц здесь, части II, этот анализ продолжен для дифференциально-термических кривых (ДТА).

На рис. 1 представлены диаграммы ДТА для сплавов БЬ-Ы, содержащих 10, 28, 50 и 80 ат. % Ы. (Напомним, что нумерация сплавов 1, 2, 3 и 4 соответствует возрастанию концентрации второго компонента). Диаграммы построены как зависимости разности ЛТДТА(т) = Гоб(т) - Тэт(т) (индексы: об - образец, эт - эталон). Диаграмма в начальной области составов (10 ат. % Ы, см. рис. 1А) типична для сплавов типа твердых растворов (в доэвтектической области). Кривые ЛТДТА с началом кристаллизации быстро устремляются вверх, достигают максимума, после которого круто ниспадают до некоторой точки, после которой выходят на пологое изменение до окончания процесса. Величина максимума зависит от условий охлаждения поверхности:

-Ь................. 188 432 1888

Л ГДТА(шах), °С...... 12 25 57

Точка максимума ЛТДТА при этом с ускорением охлаждения отодвигается по времени от т на 7.8, 14.0 и 32.0% суммарного времени затвердевания Лт = тк - т^ По рекомендации [2-3] эти факты, а также величина площади указанного участка означают, что процесс кристаллизации расплава реализуется вблизи точки ликвидуса, что подтверждается относительно высокими значениями эффективной теплоемкости (рис. 2 [1]).

Диаграмма ЛТДТА(т) для сплава БЬ-28 ат. % Ы приобретает другой вид: на ней видны два максимума - вблизи точек ликвидуса и окончания кристаллизационного процесса и минимума между ними. Известно, что в условиях перераспределения примеси между жидкой и твердой фазами, начиная с некоторой концентрации висмута в данной системе, окончание кристаллизации соответствует затвердеванию чистого висмута (табл. 1 [1]). Этот эффект на ДТА-диаграммах отмечается появлением второго, более "острого", максимума, поскольку кристаллизация заканчивается при постоянной температуре 271°С (в точке плавления висмута), без перераспределения компонентов.

При 50 ат. % Ы (рис. 1В) диаграмма ДТА аналогична предыдущей, но первый максимум несколько уменьшается по сравнению с более бедным сплавом (рис. 1£), однако он явно меньше конечного максимума. Эта разность с интенсификацией охлаждения уменьшается и при Ь = -1888 К/ч первый максимум оказывается выше конечного лишь на 2°С. При смещении состава сплава на диаграмме состояния к 80 ат. % Ы при тех же начальных условиях вид диаграммы ДТА существенно изменяется (рис. 1Г): первый максимум практически не проявляется. Кривая ЛТДТА(т) круто поднимается при про-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект < 01-03-96425-Урал 2001 и проект < 02-03-08101-инно).

А Б

Рис. 1. Диаграммы дифференциально-термического анализа ДГдХА(т) при охлаждении и квазиравновесной кристаллизации сплавов 8Ь-Ы (в центре образца). Ы, ат. %: А - 10, Б - 28, В - 50, Г - 80.

Линейные граничные условия 1-го рода, скорость охлаждения поверхности цилиндрического образца 0 0.0225 м.

Ь, К/ч: а - 188.8, б - 432, в - 1888.

хождении точки ликвидуса и медленно, с ускорением смещается ко второму максимуму, который в 2-3 раза выше первого, слабо выраженного (рис. 1Г). Увеличение скорости охлаждения поверхности (Ь = -1888 К/ч) приводит к практически плавному подъему Д1ДХА(т) ко второму (конечному) максимуму, - кристаллизационный процесс существенно смещается к температуре 271°С (рис. 1А, В). Анализ термодинамической стороны процесса по диаграммам ДХА проведен в монографиях [2-4].

Рис. 1. Окончание

Итак, для сплавов системы БЬ-Ы с неограниченной растворимостью второго компонента в жидком и твердом состояниях [4] процесс квазиравновесной кристаллизации, зависящей от выделения тепла и перераспределения примеси между жидкой и твердой фазами, зависит от условий охлаждения поверхности образца. На диаграммах ДТДХА(т) этот эффект изменяет траекторию кривых: для бедных висмутом сплавов процесс роста твердой фазы в основном реализуется в районе подликвидусных температур, для средних по составу сплавов кристаллизация протекает как в районе температур ликвидуса, процесс ослабевает на полпути (по времени) к концу кристаллизации и заметно ускоряется в конце процесса. Для богатых по висмуту сплавов (более 60-80 ат. % Ы)

процесс кристаллизации в связи с уменьшением периода перераспределения второго компонента перемещается к температуре квазиравновесного окончания кристаллизации и тем больше, чем интенсивнее охлаждение поверхности образца и больше начальная концентрация второго компонента.

Моделирование теплофизики процесса квазиравновесной кристаллизации сплавов с диаграммой полной растворимости в жидком и твердом состояниях в неравновесных условиях показало следующее. Для модели с отсутствием градиентов состава жидкости при игнорировании диффузии в кристаллах твердожидкой зоны [6, 7] кристаллизационный процесс при беспрепятственном отводе тепла определяется перераспределением компонентов, в данном случае висмута. Особенности строения диаграммы состояния системы БЬ-Ы таковы [5], что коэффициент распределения кв; изменяется в интервалах температур и составов кристаллизационного процесса в несколько раз (от 0.14 до 0.9) при изменении концентрации от 5 до 97 мас. % Ы). Этот эффект не позволяет анализировать затвердевание по простым соотношениям типа (2), (2а) из [1] и приходится прибегать к более сложным формулам типа (1), (1а) - см. работу [1], заменив в них знаменатель на разность концентраций:

(1- к(с))с = с - с8, (1)

зависимой от температуры вдоль линии ликвидуса (полиномы (5), [1]). С использованием этого приема вычисленные функции 5(7) для четырех составов показаны на рис. 1 [1]). При сопоставлении их с равновесными величинами, 5р(7), вычисленными по правилу "рычага", выявляется разность хода процесса в зависимости от примененной модели, -учет полного усреднения состава кристаллов сокращает температурный и концентрационный интервалы кристаллизации и тем интенсивнее, чем беднее исходный состав. Это одна особенность кристаллизационного процесса в квазиравновесных условиях.

Другая особенность - ход кривых 5(7) с перемещением состава сплава по оси концентраций диаграммы обнаруживает точки перегиба. Если для начальной области составов 5(7) монотонно снижается к точке квазиравновесного окончания процесса, то в средней части монотонность изменения 5(7) в точках перегиба нарушается и уменьшение сменяется ускорением, интенсифицирующимся к температуре Тк. (Это относится и к равновесной модели - см. рис. 1 [1]).

Указанная особенность затвердевания в зависимости от строения диаграммы состояния изменяет тепловые функции, необходимые в анализе кристаллизационных процессов в тепловом режиме (ограниченном удалением аккумулированного расплавом тепла) и, прежде всего, выделением и удалением теплоты плавления, непосредственно связанной с кристаллизацией, перераспределением примесей и т.д. Одной из основных величин в этом отношении является эффективная теплоемкость, изменение которой для системы БЬ-Ы при перераспределении компонентов в ней обсуждено в [1].

Таким образом, применение теории квазиравновесной двухфазной (твердожидкой) зоны [6] позволяет с применением равновесной диаграммы состояния сплавов анализировать теплофизические особенности кристаллизации сплавов в реальных объемах. Результаты компьютерного моделирования квазиравновесной кристаллизации расплавов БЬ-Ы четырех составов по уравнению теплопроводности Фурье с источником тепла и учетом описанных выше тепловых функций в применении к методике ДТА показали, что форма и ход кривых ТА существенно зависят от исходного состава расплава и граничных условий. На кривых охлаждения перегретого расплава (ТА) выявляются характерные точки (Тъ Тк), в которых изменяется наклон Т(т), причем "площадка" в окрестностях ниже ликвидуса (участок с сильно уменьшенным наклоном) расширяется по времени с ростом интенсивности охлаждения в бедных висмутом сплавах. Этот эффект сглаживается с увеличением исходной концентрации второго компонента и для сплава 80 ат. % Ы практически исчезает: точка ликвидуса выявляется лишь малым из-

менением наклона даже при увеличении охлаждения поверхности образца на порядок (рис. 3 [1]). Вторая характерная температурная точка Тк в бедных по Bi сплавах выявляется слабо в связи с малой величиной доли жидкости (Бк = 0.06). Обогащение расплава висмутом приводит к увеличению Бк (табл. 1 [1]), и изменение наклона Т(т) возрастает, - окончание кристаллизационного процесса выявляется очень четко, причем этот эффект усиливается с интенсивностью охлаждения. Описанные эффекты более наглядно выявляются на кривых Т(т) и ДТА - ЛТ(т) (рис. 1).

Описанные выше термические изменения при затвердевании расплава в заданных теплофизических условиях фазового перехода жидкость-твердое достаточны для контроля количественной стороны квазиравновесного процесса. Прежде всего обратимся к диаграммам ЛТдТА, поскольку площадь под соответствующими кривыми, как упоминалось выше, пропорциональна латентной теплоте.

При попытке количественного анализа, однако, рекомендуются [3, с. 317-318] следующие условия проведения термических измерений в условиях:

1. Равномерное повышение температуры (предпочтительно Т = const).

2. Корректное определение базисной линии ДТА-пика.

3. Определение температурнозависимой (градуировочной) константы прибора ДТА.

Первое условие выполнимо в современном аппаратурном оформлении приборов ДТА, но второе и третье - трудно реализовать. Вероятно, по этой причине условия 1-3 предусматривают "косвенный" (по градуировке) количественный анализ. Главным условием, однако, является второе. Тщательный анализ (при обширной библиографии [3]) выявил около 18 различных экспериментальных факторов, влияющих на величину ЛТдТА в основном за счет корректности проведения базиса.

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.

Показать целиком