Тема: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Актуальность работы. Исследование теплофизических свойств переходных металлов и сплавов на их основе при высоких температурах представляет важную научную проблему, имеющую большую практическую значимость.
С практической точки зрения сведения о теплофизических свойствах металлов и сплавов важны для высокотемпературной техники - без них невозможно создание надежных аппаратов и конструкций в авиации, космической и лазерной технике, атомной энергетике, прогнозирование поведения материалов в экстремальных условиях. Исследования в высокотемпературной области необходимы для создания многих новых композиционных материалов на основе переходных металлов с лучшими или принципиально новыми физическими свойствами.
Измерение теплофизических свойств веществ в области высоких температур является сложной задачей, поскольку с одной стороны при этих условиях трудно обеспечить условия адиабатичности образца и корректно учесть его теплообмен с окружающей средой, а с другой стороны интенсивно происходят процессы окисления. Указанные факторы в значительной степени влияют на экспериментальные результаты, особенно вблизи температуры плавления. По этим причинам подобные исследования целесообразно проводить с использованием нестационарных методов измерения, использующих образцы малых размеров и обладающих повышенным быстродействием. Однако существующие нестационарные методы изме-рения теплофизических свойств металлов и сплавов не позволяют в процессе единого эксперимента выполнять высокотемпературные исследования теплофизических свойств веществ как в твердом, так и в жидком со-стояниях. Видимо, поэтому для переходных металлов и сплавов даже с относительно невысокими температурами плавления сведения о тепло- и температуропроводности и других теплофизических свойствах вблизи точки плавления как в твердом, так и в жидком состояниях противоречивы, либо отсутствуют. Это образует пробел в справочных данных о свойствах чистых переходных металлов и их сплавов, а также ограничивает возможности теоретического описания явлений переноса в этих веществах при высоких температурах. Кроме того, существующие нестационарные методы измерения высокотемпературных теплофизических свойств осуществляются с большим температурным шагом, что существенно снижает достоверность имеющихся экспериментальных данных, особенно вблизи магнитных и структурных фазовых переходов. Таким образом, дальнейшее развитие эксперимента в области высокотемпературных исследований связано как с решением многих методических проблем, так и с созданием прецизионных автоматизированных измерительных систем.
С научной точки зрения изучение комплекса кинетических и теплофизических свойств чистых переходных металлов и двойных металлических сплавов на их основе в широком интервале температур интересно тем, что эти металлы и сплавы являются удобными модельными объектами. Анализ экспериментальных данных о теплофизических и кинетических свойствах этих веществ при высоких температурах позволяет установить основные механизмы переноса и рассеяния тепла и заряда в этих условиях не только в чистых металлах, но и в указанных сплавах, а также проверить возможность применимости теоретических представлений, принятых в настоящее время для переходных металлов. Несмотря на это, даже для таких модельных объектов, какими являются двойные сплавы на основе железа (например, Fe-Co, Fe-Ni и Fe-Cr), практически отсутствуют экспериментальные данные об их тепло- и температуропроводности при высоких температурах, особенно вблизи температур структурных и магнитных фазовых превращений, а имеющиеся литературные данные о теплоемкости и удельном электросопротивлени малочисленны и противоречивы.
Данная работа, посвященная исследованию температуре- и теплопроводности в мало исследованной области температур, включающей точку плавления, имеет целью хотя бы частично заполнить пробел в экспериментальных характеристиках этих свойств переходных металлов при высоких температурах и поэтому является актуальной.
Цель работы состоит в экспериментальном исследовании теплофизических и кинетических свойств двадцати переходных металлов и трех систем двойных сплавов на основе железа при высоких температурах, включая области магнитных и структурных фазовых переходов, и анализе особенностей механизмов переноса тепловой энергии в этих веществах при указанных условиях.
Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
- обосновать возможность применения динамического метода плоских температурных волн для исследования теплофизических свойств металлов и сплавов при высоких температурах, включая области существования жидкой фазы;
- создать автоматизированный измерительный комплекс для измерения температуропроводности металлов и сплавов динамическим методом плоских температурных волн, использующий для нагрева образцов и создания в них плоских температурных волн модулированный электронный пучок и осуществляющий обработку параметров сигнала на основе преобразований Фурье в автоматическом режиме;
- разработать методику измерения теплофизических свойств вблизи
фазовых переходов с учетом времени релаксации термически активируемых процессов; '
- выполнить комплексное исследование температуропроводности, теплопроводности и удельного электросопротивления всех переходных металлов (за исключением технеция, осмия и рутения), а также сплавов железо-хром, железо-никель и железо-кобальт в широком интервале высоких температур, включая жидкое состояние, и получить коэффициенты температуре- и теплопроводности, пригодные для использования в качестве табличных характеристик исследованных материалов.
Научная новизна. В диссертации: '
- выполнено систематическое исследование температуропроводности, теплопроводности и удельного электросопротивления двадцати переходных металлов и сплавов железо-хром, железо-никель и железо-кобальт в широком интервале высоких температур, включая жидкое состояние;
- разработана специальная измерительная аппаратура, осуществляющая автоматизированную амплитудно-фазовую обработку параметров переменного температурного поля на основе преобразований Фурье в условиях- быстрого нагрева (до 1000 К/с) образца в интервале температур 1000 - 4000 К с температурным шагом 1 - 3 К;
- предложена методика, позволяющая осуществлять измерения вблизи температур фазовых переходов с учетом времени релаксации термически активируемых процессов;
- выявлена закономерность немонотонного изменения температуропроводности переходных металлов в зависимости от атомного номера элемента вплоть до температур, превышающих точки их плавления на 50 - 100 К;
- показано, что с ростом температуры значения теплофизических свойств исследованных металлов сближаются;
- обнаружено аномальное изменение температуропроводности вблизи температур структурных фазовых переходов;
- показано, что аномальное поведение температуропроводности вблизи точек структурных фазовых переходов представляет собой релаксационный эффект, который был впервые обнаружен нами при измерениях температуропроводности тугоплавких металлов вблизи температуры плавления; результаты исследований этого эффекта при измерениях теплофизических характеристик металлов и сплавов вблизи температур структурных превращений могут быть качественно объяснены кластерной моделью фазовых переходов;
- выполненные исследования теплофизических свойств веществ с помощью динамического метода плоских температурных волн при нескольких частотах модуляции позволили экспериментально оценить время релаксации и количество зародышей новой фазы, образующих кластер.
- на основании полученных экспериментальных данных о теплофизических свойствах переходных металлов обоснован вывод о том, что наиболее точно поведение кинетических коэффициентов большинства исследованых металлов при температурах выше 1000 К описывает двухполосная s¬dмодель Мотта; в то же время вблизи точки плавления теплофизические свойства этих металлов неплохо описываются и однозонной моделью;
- сделан вывод о том, что поведение теплофизических и кинетических свойств сплавов железо-хром, железо-кобальт и железо-никель в области высоких температур в значительной мере определяется сочетанием двух типов рассеяния электронов проводимости: двухзонного s-d рассеяния Мотта и однозонного рассеяния на разупорядоченных спинах;
- на основе полученных в работе экспериментальных данных о температуропроводности сплавов железа разработан метод определения точек магнитных и структурных фазовых превращений, позволивший проверить и уточнить диаграммы состояния сплавов железо-хром, железо-никель и железо-кобальт в области высоких температур.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- в развитии динамического метода плоских температурных волн для исследования теплофизических свойств твердых и жидких металлов и сплавов;
- в создании автоматизированного измерительного комплекса, позволяющего выполнять экспериментальные исследования этих свойств в диапазоне температур 1000 - 4000 К при скоростях нагрева образцов до 1000 К/с и с температурным шагом 1 - 3 К;
- в получении справочных данных о теплофизических и кинетических свойствах металлов и сплавов, которые могут быть использованы при расчетах теплофизических характеристик композиционных материалов и тепловых режимов работы металлических конструкций и изделий при высоких температурах;
- в разработке способа определения температур фазовых превращений, позволяющего проверять и уточнять диаграммы состояния двойных металлических систем;
- в определении значений теплофизических характеристик двадцати переходных металлов и сплавов Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Co в интервале температур от 0.6 до 1.05 Тпл.
Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетных научных работ Уральской государственной горно-геологической академии и является частью комплексного исследования, выполняемого на кафедре физики, посвященного изучению теплофизических свойств металлов, сплавов, диэлектриков и композиционных материалов при термобарическом воздействии на вещество.
Автор защищает:
- методику измерений температуропроводности металлов и сплавов динамическим методом плоских температурных волн при высоких температурах на созданном автоматизированном, высокочувствительном измерительном комплексе, позволяющем выполнять исследования температуропроводности металлов и сплавов в интервале температур 1000 - 4000 К с температурным шагом 1 — 3 К, скоростями нагрева до 103 К/с и частотах модуляции теплового потока от 4 до 1000 Гц, что дает возможность учитывать время релаксации термически активированных процессов;
- результаты экспериментального исследования теплофизических свойств двадцати переходных металлов IV - VIII групп и двойных металлических сплавов Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Co при высоких температурах, включая области структурных и магнитных фазовых превращений и область существования жидкой фазы;
- результаты исследования корреляции между электрическими и теплофизическими свойствами переходных металлов и сплавов на основе железа;
- закономерность изменения температуропроводности переходных металлов в зависимости от атомного номера элемента в диапазоне температур 0.5 - 1.05 Тпл;
- результаты измерения температуропроводности вблизи структурных фазовых переходов;
- результаты исследования теплофизических свойств металлов при различных частотах модуляции теплового потока, что позволило экспериментально оценить параметры кластерной модели, время релаксации и количество зародышей новой фазы, образующих кластер;
- результаты анализа основных механизмов переноса тепловой энергии в переходных металлах IV - VIII групп;
- результаты анализа механизмов рассеяния, присутствующие в сплавах Fe-Cr, Fe-Ni, Fe-Co при высоких температурах;
- метод определения точек магнитных и структурных фазовых превращений на основе экспериментальных данных о температуропроводности, позволивший проверить и уточнить диаграммы состояния сплавов Fe- Cr, Fe-Ni, Fe-Co в области высоких температур.
Апробация работы.
Основные научные результаты и положения работы были доложены и обсуждены на 8-ой европейской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Баден-Баден, 1982), 10-ой европейской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Рим, 1986), Международной конференции по редкоземельным металлам (Цюрих, 1985), 7-ой всесоюзной теплофизической конференции (Ташкент, 1982), Втором всесоюзном совещании по автоматизации теплофизических измерений (Москва, 1983), Всесоюзной научно-технической конференции по метрологическому обеспечению температурных и теплофизических измерений в области высоких температур (Харьков, 1983), Всесоюзной конференции “Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики (Новосибирск. 1985), конференции по актуальным проблемам атомной науки и техники (Свердловск, 1984), конференции по физическим свойствам сплавов переходных металлов (Свердловск, 1985), 12 всесоюзном совещании “Получение, структура, физические свойства и применение высокочистых монокристаллических тугоплавких и редких металлов” (Суздаль, 1987), 9 всесоюзной теплофизической школе “Новейшие исследования в области теплофизических свойств” (Тамбов, 1988), 4 всесоюзной школе “Современные проблемы теплофизики” (Новосибирск, 1988), Международной теплофизической школе “Теплофизические проблемы промышленного производства” (Тамбов, 1992), 2-ой международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (США, Колорадо, Боулдер, 1997), Международной теплофизической школе “Теплофизически измерения в начале XXI века ” (Тамбов, 2001).
Публикации.
Результаты исследований опубликованы в 33 статьях, 21 тезисах докладов и одном авторском свидетельстве.
Объем работы.
Диссертация изложена на страницах текста, включая 153 рисунка и 6 таблиц, состоит из введения, 6 глав, заключения и библиографического списка из 277 наименований.

Купить

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:
1. Выполнено систематическое исследование температуропроводности, теплопроводности двадцати переходных металлов (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Rh, Pd, Gd, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt) и сплавов Fe-Cr, Fe- Ni и Fe-Co в широком интервале высоких температур, включая жидкое со-стояние, а для двойных сплавов получены температурные зависимости удельного электросопротивления в интервале температур 300 - 1800 К. В результате проведенных исследований получены новые экспериментальные данные о закономерностях изменения теплофизических и кинетических свойств переходных металлов и двойных металлических сплавов вплоть до температур, превышающих точки их плавления на 50 - 100 К.
2. Разработана методика измерения температуропроводности твердых тел вблизи фазовых переходов с учетом времени релаксации термически активируемых процессов.
3. На основе предложенного метода разработан и создан специализированный измерительный комплекс, осуществляющий автоматизированную амплитудно-фазовую обработку параметров переменного температурного поля, создаваемого в исследуемых металлических образцах модулированным потоком электронов, в условиях быстрого нагрева (до 1000 К/с) в интервале температур 1000 - 4000 К с температурным шагом 1-3 градуса Кельвина. Измерительный комплекс позволяет определять температуропроводность металлов и сплавов в твердом и жидком состояниях с погрешностью, не превышающей 3.5 %.
4. Выявлена закономерность немонотонного изменения температуропроводности переходных металлов в зависимости от атомного номера элемента вплоть до температур, превышающих точки их плавления на 50 - 100 К.
5. Показано, что с ростом температуры значения теплофизических характеристик исследованных металлов сближаются.
6. Обнаружено аномальное изменение температуропроводности вблизи температур структурных фазовых переходов.
7. Показано, что обнаруженное аномальное изменение представляет собой релаксационный эффект, который был впервые выявлен автором при измерениях температуропроводности тугоплавких металлов вблизи температуры плавления. Результаты экспериментальных исследований проведенных при измерениях теплофизических характеристик металлов и сплавов вблизи температур структурных превращений могут быть качественно объяснены кластерной моделью фазовых переходов.
8. Выполнена оценка времени релаксации и количества зародышей новой фазы, образующих кластер, на основании экспериментальных данных о теплофизических свойствах металлов, полученных с помощью динамического метода плоских температурных волн при нескольких частотах модуляции.
9. Установлено, что поведение кинетических коэффициентов, полученных экспериментально, для большинства переходных металлов при температурах от 1000 К до температур 0.8 Тпл. может быть описано в рамках двухполосной з-б модели Мотта. Вблизи точки плавления (в интервале 0.8-1.05 Тп„ ) теплофизические свойства этих металлов в хо-рошем приближении описываются однозонной моделью.
10. Экспериментальные данные о теплофизических и кинетических свойствах сплавов железо-хром, железо-кобальт и железо-никель позволяют сделать вывод о том, что поведение этих свойств в области высоких температур в значительной мере определяется сочетанием двух типов рассеяния электронов проводимости: двухзонного з-б рассеяния Мотта и однозонного рассеяния на разупорядоченных спинах. Однако, вблизи температур плавления сплавов, как и в случае переходных металлов, основное влияние на кинетику электронов проводимости начинают оказывать процессы их однозонного рассеяния.
11. Разработан метод определения температур магнитных и структурных фазовых превращений на основе экспериментальных данных о температуропроводности, позволивший проверить и уточнить диаграммы состояния сплавов железо-хром, железо-никель и железо-кобальт в области высоких температур.

Купить