Введение к работе
Актуальность работы. Во всех случаях, когда те или иные изделия получают в результате кристаллизации расплава - металлического или неметаллического, -свойства изделий определяются кристаллической структурой затвердевших сплавов. В свою очередь характер формирующейся при этом кристаллической структуры главным образом зависит от состояния и строения расплава, а те или иные воздействия, оказываемые на расплав и изменяющие его состояние, соответственно изменяют и кристаллическую структуру затвердевшего сплава. В этих условиях технологические процессы должны базироваться на адекватных представлениях о состоянии и строении расплава, позволяющих оптимизировать технологические параметры и таким образом целенаправленно воздействовать на процессы формирования требуемой кристаллической структуры в изделиях. Поэтому создание эффективных методов оценки состояния расплавов является актуальной задачей. Наряду с точностью и информативностью, такие методы, используемые в технологической практике, должны обладать достаточной простотой, надежностью, доступностью. Еще одно важное требование к подобным методам обусловлено тем, что расплавы - и металлические и неметаллические - в производстве, как правило, используются в различных неравновесных состояниях, когда критические точки систем смещаются, и в процессе кристаллизации существенно изменяется конституция образующихся твердых фаз: их состав, структура, свойства, а методов оценки таких состояний практически не имеется.
Особое значение эта задача имеет для расплавов, образующихся в системах эвтектического типа, поскольку такие системы являются основой важнейших современных материалов - сталей, чугунов, силуминов, керамики и т.д.
В настоящей работе исследовали возможность оценки состояния расплавов эвтектического типа с использованием закона Рауля.
Цель работы - разработать криоскопическии экспресс-метод исследования процессов структурообразования в двойных системах эвтектического типа на основе физико-химических условий соблюдения закона Рауля в этих системах.
Работа имела характер научного поиска и поэтому при ее выполнении очередные задачи последовательно формулировались и решались, исходя из результатов, полученных в предыдущих исследованиях.
Положения выносимые на защиту:
-
Результаты исследований, доказывающие существование двойных систем эвтектического типа, расплавы которых подчиняются закону Рауля, и устанавливающие особенности соблюдения закона Рауля в расплавах этих систем;
-
Криоскопическии экспресс-метод расчета положения линий ликвидус и солидус, а также эвтектических точек двойных систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях с использованием предложенных уравнений, полученных на основе закона Рауля;
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, доказывающие субмикрогетерогенное строение расплавов в системах эвтектического типа и основанное на этих результатах представление о физико-химическом механизме структурообразования в расплавах этих систем;
4. Методика расчета линий фазовых равновесий по разработанному методу с использованием ЭВМ.
Научная новизна
Впервые обнаружено существование большого количества различных двойных систем эвтектического типа - металлических, солевых, силикатных, алюминат-ных - расплавы которых в широких интервалах концентраций подчиняются закону Рауля и, следовательно, обладают свойствами идеальных растворов.
Введено представление о сопряженном сплаве и установлено, что отношение понижений температур затвердевания сопряженного и рассматриваемого сплавов в системах эвтектического типа является величиной постоянной. Для ряда систем рассчитаны значения этой константы.
На основании закона Рауля получены уравнения, позволяющие с высокой точностью рассчитывать положение линий ликвидус и солидус систем эвтектического типа в равновесном и неравновесных состояниях в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус.
Получено экспериментальное доказательство субмикрогетерогенного строения расплавов системы Al-Si и солевых расплавов. Представлены вероятные физико-химические механизмы растворения вторых компонентов систем и формирования структуры расплавов эвтектического типа.
Установлено, что предложенный метод криоскопии может применяться для расчета теоретических температур ликвидус и коэффициента Вант-Гоффа солевых систем в равновесном и неравновесных состояниях в интервалах концентраций, где соблюдается закон Рауля, по известным координатам лишь одной точки на линии ликвидус. Установлено, что коэффициент Вант-Гоффа остается постоянным и в неравновесных состояниях расплава.
Практическая значимость обусловливается тем, что результаты выполненных исследований можно использовать при разработке и уточнении диаграмм состояния двойных систем с эвтектикой, в исследованиях структурных и фазовых превращений в этих системах в равновесном и неравновесных состояниях, а также в исследованиях, связанных с решением вопросов совершенствования технологических процессов приготовления расплавов с необходимой структурой и свойствами. Результаты работы приняты к внедрению в ОАО"НПО"Сатурн".
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», г. Рыбинск, РГАТА 2007 г., Шестидесятой и шестьдесят первой научно-технических конференциях студентов, магистрантов и аспирантов, г. Ярославль, ЯГТУ 2007-2008гг., XXVII Российской научной школы "Наука и технологии", г. Миасс: МСНТ, 2007 г., VII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород: ННГТУ, 2008 г., Десятой конференции молодых ученых - химиков, г. Нижний Новгород, ННГУ, 2008г. XXIX Российской научной школы "Наука и технологии", г. Миасс: МСНТ, 2009г.
Публикации. По результатам работы издано 17 публикаций, в том числе 8 статей в журналах, предусмотренных перечнем ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, раздела «Заключение», списка литературы, включающего 125 наименований отечественных и зарубежных источников, и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 170 страницах машинописного текста, включая 55 рисунков и 62 таблицы.
