Исследование фазовых переходов в сплавах, легированных стронцием и барием

Ключевые слова: кинетика охлаждения, легирования, стронций, барий, цинк-алюминиевые сплавы, фазовый переход

Key words: kinetics of cooling, alloying, strontium, barium, zinc-aluminum alloys, phase transition.

Введение

Методом охлаждения нами было исследовано влияние магния и кальция на теплофизические свойства цинк-алюминиевых сплавов в широком интервале температуры [1,2]. Было показано, что метод охлаждения позволяет исследовать процессы фазового перехода первого рода в сплавах и оценит ее термодинамические характеристики. В литературе отсутствует сведения об исследование фазовых переходов в цинк-алюминиевых сплавов, легированных стронцием и барием методом охлаждение. Поэтому задачей настоящей работы является исследование кинетики охлаждения и установление температуры фазовых переходов, и их параметры в легированными стронцием и барием сплавов Zn5Al, Zn55Al.

Методом охлаждения измерены временная зависимость температуры образцов по методику, подробно описанной нами в работах [3-6]. Относительная ошибка измерения температуры в интервале от 40 ⁰С до 400⁰С составляла ± 1%, а в интервале от 400⁰С до 1000°С ± 2.5%.

Объекты исследования. Объектами исследований являются сплавы Zn55Al и Zn5Al на основе алюминия марки A7 легированными Sr и Ba. Выбор исследуемых объектов основан перспективой их применения преимущественно в различных областях промышленности и техники.

Результаты и их обсуждения

Исследован процесс охлаждения сплавов Zn5Al и Zn55Al легированных различной концентрации стронций и барий. На графиках зависимости температуры от времени охлаждения наблюдается аномальное охлаждение. В качестве примера на рис.1 приведена зависимость температуры сплава Zn5Al, легированного концентрации 1 масс.% барием от времени охлаждения.

Рис. 1. Зависимость температуры сплава Zn5Al+0.1 масс.% Ba от времени охлаждения

Как видно из рисунка на кривой охлаждения, в области температуры от 520 К до 530 К наблюдается увеличение температуры образца, то есть наблюдается фазовый переход первого рода. Обработка результатов таких измерений проводилась на компьютере с помощью программы Microsoft Office Excel. Графики строились и обработались с помощью программы Sigma Plot 10 и с помощью программного обеспечения типа Microcal Origin-6.0.

При использовании программы Sigma Plot 10 для выделения фазового перехода из экспериментальной кривой сначала отрезаем область, где образец нагревается. Остается график, равномерно охлаждающий образца. На рис. 2 приведена график зависимости температуры образца от времени охлаждения при плавном охлаждении.

Рис. 2. Зависимость температуры образца Zn5Al+0.1 масс.% Ba от времени охлаждения с вычетом вклада фазового перехода

После, из экспериментальных кривых рис. 1 вычитаем равномерное охлаждение (рис. 2) получим кривую, связанную с фазовым переходом. Временная зависимость изменения температуры образца связанная с фазовым переходом приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость изменения температуры образца Zn5Al+0.1 масс.% Ba

Для сравнения обработка экспериментальных данных была проведена с помощью программного обеспечения Microcal Origin 6.0. На рис. 4 приведено зависимость температуры образца Zn55Al+0.05 масс.% Ba от времени охлаждения. Как видно из рисунка в зависимости температуры образца от времени охлаждения наблюдается аномальный ход. На графиках зависимости температуры образца от времени для легированных магнием и кальцием цинк- алюминиевых сплавов также нами было наблюдено аномальный ход охлаждения [1,2,7,8]. Следует отметить, что такой ход охлаждения усложняет обработку результатов, так как в памяти программы кривых такого типа отсутствует. Поэтому с помощью специальной функции можно проводить базовую линию этой кривой и отделить часть нагревания, связанной с фазовым переходом первого рода от равномерного охлаждения.

Коротко рассмотрим пример обработки экспериментальной кривой охлаждения с помощью программного обеспечения Microcal Origin-6.0 [9-11].

Рис. 4. Зависимость температуры образца Zn55Al+0.05 масс.% Ba от времени охлаждения: 1- экспериментальный кривой, 2- базовая линия

Обработки кривой охлаждения проводили с помощью программного обеспечения типа Microcal Origin-6.0. В интерфейс программу вводятся данные эксперимента, далее из этих данных строится график охлаждения данного образца. Такой ход охлаждения усложняет обработку, так как в памяти программы кривых такого типа нет, но с помощью специальной функции можно проводить базовую линию этой кривой и отделить часть нагревания, связанную с фазовым переходом первого рода от равномерного охлаждения.

Разность экспериментальных кривых (кривая 1) и кривая равномерного охлаждения (кривая 2) дает нагревание, связанное с фазовым переходом. На рис. 5 приведено зависимость разности экспериментальной кривой и базовой линии легированного 0.05 масс.% барием сплава Zn55Al от времени охлаждения.

Рис. 5. Разность экспериментальных кривых и базовой линии для сплава Zn55Al+0.05 масс.% Ba.

Как видно из рис.5 кривой, связанный с фазовым переходом состоит из несколько полос, то есть наблюдается два или более процессы фазовых переходов. Для обработки и анализа таких пиков, которые имеют почти гауссово распределение, мы воспользовались командной строкой «Analysis»- «Fit-Multi»-«peaks»-«Gaussian». После выполнения этих команд появляются количественные результаты, в которых дается информация о площади под кривой (А), полуширине (^=(ДТс-ЛТ0)/2), центре (C), сдвиге (ДТ0) и высоте пика (h). цинк алюминиевый стронций барий

С помощью программного обеспечения Microcal Origin 6.0. разделили эту полосу на отдельные полосы, которые показаны на рис. 6.

Рис.6. Зависимость приращения температуры сплава Zn55Al+0.05%Ba от времени охлаждения для первого фазового перехода

В табл. 1 приведены значения параметров полосы для легированных различной концентрацией (масс.%) стронцием и барием сплавов Zn55Al (1) и Zn5Al (2). В последней графе приведены значения температуры процессов фазового перехода для легированных сплавов Zn55Al и Zn5Al.

Таблица 1. Значения параметров полосы (А - площадь, C - центр W = (АТ_с-АТо)/2. - полуширина, H - высота, АТр - сдвиг)

Для объяснения наблюдаемых процессов фазового перехода сравнили кривых охлаждения с диаграммой состоянии Zn-Al. Найденные два процесса фазового перехода связано с тем, что в системе Al-Zn наблюдается два нонвариантных равновесия: эвтектическое- Ж=(Al)+Я при температуре 655 К и монотектоидное ai=a+Я при температуре 529 К, где а и ai - твердые растворы на основе Al, Я- твердый раствор на основе (Zn).

Наиболее удобной программой для обработки экспериментальных кривых в нашем случае оказалась OriginLab.

Базовая линия хорошо описывается уравнением

где А71, АТ₂ - разность температур нагретого тела и окружающей среды в момент начала измерений, то есть при т = 0,т_х и т₂ - постоянная охлаждения для первого и второго релаксационных процессов. При обработке результатов, удалось подобрать такую зависимость температуры образца от времени, что коэффициент регрессии было не ниже 99,97%.

Формула (1) показывает, что теплота передается окружающему среду одновременно двумя способами и количество передаваемого тепла пропорционально площадь поверхности образца, разности температур тело и окружающей среды, и соответствующему коэффициенту теплоотдачи при любом механизме переноса теплоты ( конвекцией или лучеиспусканием).

Дифференцируя (1) получаем уравнение для скорости охлаждения:

где АТоі/Ті и АТ02/Т2 - соответственно амплитуды скоростей охлаждения первого и второго релаксационного процесса. Погрешность в определение скорости охлаждения при высоких температурах намного меньше, чем для скорости охлаждения при температурах близких к температуре окружающей среды.

В таблице 2 приведены значения постоянные в уравнении (1) и (2).

Таблица 2. Экспериментальные значения АТ_оі, і_і5 АТ₀₂, т₂, АТ_оі / і_і5 АТ₀₂/ т₂ для цинка, алюминия марки А7 и легированных сплавов Zn55Al и Zn5Al

На рис. 7 приведены зависимость АТ₁ и АТ₂ от времени охлаждения для легированного барием сплава Zn5Al:l-первый процесс; 2-второй процесс.

Рис. 7 Зависимость АТ₁ и АТ₂ от времени охлаждения для сплава Zn5Al+0.005% Ba: 1- первый процесс; 2- второй процесс

Как видно из табл. 2 процесс конвективное охлаждение протекает медленнее, чем тепловое излучение.

Заключение

Исследованы зависимости температуры сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных стронцием и барием от времени охлаждения. Выявлено, что процесс охлаждения для этих систем имеет релаксационный характер с двумя временами релаксации. Установлено, что более быстрая релаксация связана с тепловым излучением, а медленная - с конвективным теплообменом.

На кривой охлаждения во всех исследованных системах наблюдается увеличение температуры образца, связанное с фазовыми переходами. Процесс фазового перехода наблюдается в сплавах Zn5Al и Zn55Al и становится более выраженным при их легировании. Полученные результаты полностью согласуются с диаграммой состояния Zn-Al [12-15].

Литературы

1. З. Низомов З., Саидов Р.Х., Авезов З., Шарипов Дж.Г. - Влияние магния на теплофизические свойства сплавов Zn5Al и Zn55Al.- Доклады Академии наук Республики Таджикистан. Т.60. №9, 2017.-С.424-429.

2. Низомов З., Саидов Р.Х., Авезов З., Шарипов Дж.Г.. Влияние кальция на теплофизические свойства сплавов Zn5Al и Zn55Al. - Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. №4(40), 2017. - С. 62-67

3. Низомов З., Гулов Б.Н., Саидов Р.Х., Авезов З. Измерение удельной теплоемкости твердых тел методом охлаждения.- Вестник национального университета. -2010. - Вып. 3(59). -С.136-141.

4. Низомов З., Саидов Р.Х., Гулов Б.Н. Теплоемкость особо чистого алюминия и его сплавов.-LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012.-96 с.

5. Низомов З., Саидов Р.Х., Шарипов Дж.Г. Термодинамические свойства цинк-алюминиевых сплавов легированных РЗМ.-LAP LAMBERT Academic Publishing, 2018.- 96 с.

6. Мирзоев Ф.М., Низомов З., Акрамов М.Б. Теплофизические свойства алюминия различной степени чистоты и сплавов системы Al-Si. - Душанбе: Сино, 2020. - 96 с.

7. З. Низомов З., Саидов Р.Х., Шарипов Дж.Г., Гулов Б.Н. Теплофизические свойства сплавов Zn5Al, Zn55Al, легированных редкоземельными металлами.- Доклады Академии наук Республики Таджикистан, 2015. -Т.58.- №10. -С.916-921..

8. Авезов З.И., Саидов Р.Х., Низомов З. Теплофизические свойства сплавов Zn5Al, Zn55Al с элементами IIA группы. - Душанбе: Сино, 2020. - 136 с.

9. Пакет “Origin” // http://helplab1.narod.ru/Origin.htm#bad (11.12.2008).

10. OriginLab. Products: Origin // http://www. originlab.com/ index. aspx?s =8&lm=169 (17.10.2008).

11. Саймон Б. Там, где бессилен Excel, Origin 7 в своей стихии // http: // www.pcmag.ru / issues/detail. php? I D=7867&phrase_id=1732207 (11.12.2008).

12. Диаграмма состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.1 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1996.- 996 с.

13. Коржавый П.А., Смирнова Е.А., Эйбельман И.А. и др. Природа изоструктурного спинодального распада в системе Al-Zn. - Физика твердого тела, 1997, том 39, №4.-С. 593-596.

14. Новиков И.И. Фазовые превращения в кристаллических телах. - Инженерно-физический журнал.1980. Т. 39. № 6.- С. 1118-1132.

15. Филиппов Е.С. Теория фазовых переходов. - Изв. ВУЗов, сер. Черная металлургия. 1977. № 3.- С. 119 - 126.

Размещено на Allbest.ru