Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Структура и свойства жидких металлов и бинарных сплавов . 10
1.1 .Жидкие металлы.
1.1.1. О строении и свойствах жидких металлов. 10
1.1.2. Полиморфные превращения в жидких металлах . 13
1.2. Жидкие бинарные сплавы металлов. 21
1.2.1. Классификация типов бинарных сплавов металлов и диаграмм состояния. 22
1.2.2. Взаимосвязь структуры и свойств бинарных сплавов . 28
1.3. Методы расчета теплового излучения металлов. 31
Глава 2. Экспериментальное определение теплового излучения жидких металлов и сплавов . 39
2.1. Экспериментальные методы исследования теплового излучения металлов. 39
2.1.1 Радиационный метод. 39
2.1.2. Калориметрический метод. 42
2.1.3. Нестационарные методы. 44
2.1.4. Экспериментальные методы исследования спектральных степеней черноты металлов и сплавов . 45
2.2. Экспериментальная установка для исследования теплового излучения жидких металлов и сплавов. 47
2.2.1. Описание экспериментальной установки. 47
2.2.2. Методика проведения эксперимента. 52
Глава 3. Тепловое излучение жидких металлов и бинарных сплавов металлов . 57
3.1. Тепловое излучение чистых жидких металлов. 57
3.2. Влияние полиморфных превращений на тепловое излучение жидких металлов . 60
3.3. Тепловое излучение жидких бинарных сплавов металлов. 81
3.2.1. Сплавы системы висмут - олово. 81
3.2.2. Сплавы системы олово - свинец. 85
3.2.3. Сплавы системы висмут - свинец. 88
3.2.4. Сплавы системы висмут - кадмий. 90
3.2.5. Сплавы системы индий - олово. 93
3.2.6. Сплавы системы алюминий - цинк. 95
3.2.7. Сплавы системы алюминий - олово. 98
3.2.8. Сплавы системы олово — цинк. 101
3.2.9. Сплавы системы висмут - цинк. 103
3.2.10. Сплавы системы висмут - индий. 105
3.2.11. Сплавы системы медь - олово. 108 Выводы. 113
Глава 4. Расчет теплового излучения жидких металлов и сплавов . 114
4.1. Модифицированные соотношения для расчета теплового излучения жидких металлов и сплавов. 114
4.2. Расчетные соотношения для теплового излучения жидких металлов. 115
4.3. Возможности применения электромагнитной теории для расчета теплового излучения жидких сплавов. 122
4.4. Расчетные соотношения для теплового излучения жидких сплавов металлов. 125 Выводы. 134
Основные результаты и выводы 135
Приложение
- Полиморфные превращения в жидких металлах
- Взаимосвязь структуры и свойств бинарных сплавов
- Экспериментальные методы исследования спектральных степеней черноты металлов и сплавов
- Влияние полиморфных превращений на тепловое излучение жидких металлов
Введение к работе
Теплотехнические расчеты в металлургической практике требуют сведений о радиационных характеристиках металлов и сплавов в жидком состоянии, также эти сведения важны для определения температуры расплавов в радиационной бесконтактной пирометрии. Кроме того, тепловое излучение несет ценную информацию об электронном строении жидких металлов и сплавов.
Большинство металлических и полупроводниковых материалов в существующих технологиях получают кристаллизацией из расплавов. Основная причина нестабильности свойств твердого металла в том, что строение расплава перед кристаллизацией отличается от равновесного. Полиморфные превращения влияют на монотонность температурной зависимости свойств расплавов. Влияние полиморфных переходов на тепловое излучение жидких металлов в настоящее время не исследовано. Знание температур, превышающих температуры аномальных изменений свойств, необходимо для подготовки равновесного расплава перед кристаллизацией.
В литературе имеются многочисленные данные по радиационным характеристикам металлов и сплавов в твердой фазе. Тепловое излучение жидких металлов и сплавов практически не исследовано. Экспериментальные измерения проведены для ограниченного числа сплавов металлов и носят отрывочный характер. Методы теоретических расчетов радиационных свойств жидких сплавов не разработаны. Не изучено влияние на тепловое излучение температуры, состава, структуры и строения сплавов. Поэтому исследование теплового излучения жидких металлов и бинарных сплавов металлов в широком диапазоне концентраций и температур и разработка метода расчета теплового излучения жидких металлов и сплавов являются актуальной задачей.
Целью данной работы является экспериментальное исследование теплового излучения жидких бинарных сплавов металлов с различными типами диаграмм состояния, установление зависимости теплового излучения сплавов
7 от состава и строения; исследование влияния фазовых полиморфных переходов в жидких металлах на их тепловое излучение; разработка методики расчета теплового излучения жидких металлов и сплавов.
Задачи исследования заключались в разработке экспериментального стенда для измерения нормальных интегральных степеней черноты жидких металлов и сплавов; измерении нормальных интегральных степеней черноты одиннадцати жидких бинарных сплавов с различными типами диаграмм состояния; измерении пяти жидких металлов с шагом 3^10 К по температуре; применении теории размерностей для описания опытных данных по тепловому излучению жидких металлов и сплавов.
Работа проведена на кафедре вакуумной техники Казанского государственного технологического университета.
В первой главе проводится анализ исследований по строению и свойствам жидких металлов и сплавов и анализ существующих теоретических методов расчета радиационных характеристик металлов. В жидких металлах существуют полиморфные фазовые превращения, влияющие на различные свойства жидких металлов скачкообразным изменением свойств или изменением угла наклона зависимости свойств от температуры. Показана корреляция термодинамических и теплофизических свойств жидких сплавов со структурой сплава и типом диаграммы состояния. Существующие теоретические методы расчета степеней черноты не применимы для жидких металлов. Методы расчета радиационных характеристик жидких сплавов не разработаны.
Во второй главе приведен краткий обзор методов экспериментального определения степеней черноты веществ, на основании которого выбран метод экспериментальных измерений. Разработан экспериментальный стенд для измерения абсолютным радиационным методом нормальных интегральных степеней черноты жидких металлов и сплавов. Описана методика измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований нормальных интегральных степеней черноты жидких металлов и сплавов. Впервые измерены нормальные интегральные степени черноты жидких бинарных сплавов металлов с различным типом диаграмм состояния: простые эвтектические сплавы (висмут - олово, олово - свинец, висмут - свинец, висмут - кадмий, индий - олово), эвтектические с перегибом на линии ликвидус (алюминий - цинк, алюминий - олово, олово ~ цинк), системы с расслоением в жидком состоянии (висмут - цинк), сложные эвтектики с образованием соединений (индий - висмут) и системы с образованием интерметаллических соединений (медъ - олово). Степени черноты пяти жидких металлов (цинк, алюминий, индий, сурьма, висмут) измерены с шагом 3^-10 К по температуре. Установлено влияние на тепловое излучение полиморфных фазовых переходов для шестнадцати жидких металлов. Для жидких лития, натрия, калия, магния, кальция, титана, кобальта, меди и цинка существование полиморфных фазовых переходов установлено впервые. Установлено влияние температуры и состава жидких сплавов на их нормальные интегральные степени черноты: температурные коэффициенты нормальных интегральных степеней черноты для всех сплавов положительные; степени черноты сплавов, кроме сплавов висмут - свинец и индий - олово, не являются аддитивными; изменения степеней черноты сплавов качественно согласуются с зависимостями от температуры и состава других теплофизических свойств сплавов (удельного электросопротивления, поверхностного натяжения, вязкости); величина и характер отклонения степеней черноты от аддитивности качественно соответствует изменению избыточной энтропии смешения сплавов.
В четвертой главе проведена оценка возможностей электромагнитной теории для расчета теплового излучения жидких сплавов. Рассчитанные степени черноты ниже экспериментальных на 16 - 50 %, но характер изменения сп от состава качественно соответствует экспериментальным величинам.
Тепловое излучение жидких металлов и сплавов может быть описано на основе модифицированного соотношения теории размерностей, для относи-
9 тельных потоков теплового излучения жидких металлов и сплавов получена единая зависимость. Масштабные потоки для жидких сплавов, кроме сплавов висмут - свинец и индий - олово, изменяются не аддитивно. При использовании расчетных соотношений на основе теории размерностей для жидких металлов полученные масштабные потоки изменяются периодически в зависимости от положения элемента в таблице Д.И.Менделеева, взаимосвязь масштабных потоков с температурой Дебая и периодическая закономерность могут быть использованы для оценки масштабных потоков и, соответственно, степеней черноты элементов, по которым измерения теплового излучения отсутствуют.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработан и создан экспериментальный стенд для измерения абсолютным радиационным методом нормальных интегральных степеней черноты жидких металлов и сплавов в атмосфере инертных газов или вакууме.
Результаты измерения нормальных интегральных степени черноты одиннадцати жидких бинарных сплавов металлов и пяти жидких металлов с шагом 3-=-10 К по температуре.
Влияние полиморфных фазовых переходов на тепловое излучение шестнадцати жидких металлов. Для жидких лития, натрия, калия, магния, кальция, титана, кобальта, меди и цинка существование полиморфных фазовых переходов установлено впервые.
Установлено влияние температуры и состава жидких сплавов на их нормальные интегральные степени черноты.
Тепловое излучение жидких металлов и сплавов описано на основе модифицированного соотношения теории размерностей.
Полиморфные превращения в жидких металлах
При исследовании физических свойств как чистых жидких металлов, так и многокомпонентных расплавов нередко обнаруживаются различного рода аномалии (перегибы, скачки), природа которых остается дискуссионной. На протяжении многих лет - с начала 60-х годов - ведется дискуссия о возможности структурных превращений в металлических расплавах. Единого мнения по этому вопросу нет и на сегодняшний день. Связано это прежде всего со сложностью строения металлических расплавов, с ограниченными возможностями экспериментальных методов изучения структуры жидких металлов и сплавов. Экспериментальные данные о структурных и физических характеристиках металлических расплавов, полученные разными авторами, во многих случаях существенно различаются между собой. Это явилось причиной возникновения различных, часто противоречивых точек зрения на строение жидкости и, в частности, на возможность структурных превращений в металлических расплавах. Под структурными превращениями в металлических расплавах понимают перестройку ближнего порядка, сопровождающуюся скачкообразным изменением межатомного расстояния и (или) координационного числа [3]. Согласно квазиполикристаллической модели, расплавы состоят из кластеров с упорядоченным расположением атомов, близких к их расположению в кристалле, и разупорядоченной зоны. Кластеры представляют собой динамические образования, время жизни которых превышает период теплового колебания атома. С физической точки зрения это образования с более сильными внутренними связями по сравнению с внешними. В местах сочленений группировок формируется более рыхлая структура, так что среднее коорди национное число оказывается меньше, чем в кристалле [7]. Исследование структурной микронеоднородности металлических расплавов показывает, что относительная доля кластеров значительна даже при больших перегре вах над температурой плавления [8]. В работе [9] найдено, что доля класте ров для жидкого никеля при температуре плавления (1726 К) составляет око ло 60 % и стремится к нулю при 2573 К. Количественная оценка степени упо рядочения жидких щелочных металлов дала близкие величины: доля класте ров составила 55 - 70 % при температурах плавления.
Интервалы разупоря дочения для щелочных металлов составляют 600 — 1000 К, увеличиваясь в ными структурными перестройками. Нейтронографические исследования жидких цезия и рубидия подтвердили наличие таких перестроек при 573 К для рубидия и цезия и при 873 для цезия [11]. Недавние исследования плотности, вязкости и адиабатического термического коэффициента давления жидкого цезия позволили авторам [12] с определенностью говорить о наличии признаков фазового переходе в жидком цезии при Т = 590 К. Структура натрия высокой чистоты исследовалась в работе [13], выполнены измерения дифракции нейтронов в интервале температур 373 - 873К. Анализ температурной зависимости положе ния основного пика структурного фактора подтверждает наличие структурного фазового перехода в области 573 - 823К (рис. 1.1). Нет единого мнения о температурах структурных превращений и об их природе. Авторы работ [14, 15] исследовали следующие структурные параметры расплава алюминия: положение sj, S2, высоту a(si), afo) первого и второго максимума структурного фактора; наиболее вероятное межатомное расстояние п; число ближайших соседей, определенное по площади симметричной части первого пика функции радиального распределения атомов Zc и по площади первого пика до перпендикуляра, опущенного на ось абсцисс из точки первого минимума функции радиального распределения атомов Zn; высоту первого максимума функции радиального распределения атомов D(rO (рис. 1.2). В области температур от 960 до 1000C они наблюдали аномальное изменение структурных параметров расплава, которое наиболее сильно проявляется на зависимости Zc. Авторы [14] считают, что в указанном интервале температур происходит перестройка в расположении атомов расплава, т.е. структурное превращение, которое связано с существенным разрыхлением расплава. Судя по характеру зависимости ri(t) и Zc(t), это разрыхление обусловлено уменьшением числа ближайших соседей, а не увеличением наиболее вероятных межатомных расстояний. Наиболее вероятное расстояние г\ в области аномалии практически не меняется, а положения первого и особенно второго максимумов структурного фактора несколько возрастают. Определенные различия наблюдаются также в характере температурных зависимостей Zc и Zn. Полученные в работе данные не противоречат мнению, высказанному в [16] о наличии структурных превращений в жидком алюминии по типу ГЦК - ОЦК-подобная структура, происходящее вследствие изменения при высоких температурах строения 9-І электронной оболочки ионов А1 . Это структурное превращение происходит при температуре, превышающей температуру плавления примерно на 150 К. В пользу такого характера изменений свидетельствует уменьшение Zc вблизи температуры 1233 К почти до 8. 960С наблюдали качественное изменение ближнего порядка жидкого алюминия при 1450С (рис. 1.2): значения 5/, a(sj), a(s2), Z стабилизируются, г; начинает возрастать. Неизменность Z и рост Г] означают, что при указанной температуре изменяется механизм теплового расширения жидкого алюминия: увеличение объема происходит путем увеличения расстояния между атомами. Предположительно, это соответствует переходу к статистическому (квазигазовому) распределению атомов. Оценка размеров кластеров для жидкого свинца в интервале температур 723 - 773К позволяет авторам [17] заключить, что размеры микрообластей упорядоченной структуры в расплавленных металлах при умеренных перегревах составляют несколько десятков координационных сфер. Несмотря на их динамизм, упаковка атомов в кластерах достаточно совершенна и в основных чертах подобна кристаллической. Все это вместе взятое позволяет считать оправданным перенесение некоторых свойств кристаллического существования вещества на кластеры. В частности, можно предполагать существование кластерного полиморфизма в металлических расплавах. Так же как полиморфизм в твердых телах, кластерный полиморфизм в жидкостях должен протекать обратимо при определенной температуре и сопровождаться в той или иной мере скачкообразным изменением их структурно-чувствительных характеристик.
Взаимосвязь структуры и свойств бинарных сплавов
Методы экспериментального исследования физических свойств являются косвенными, но тем не менее они чувствительны к структурным изменениям, происходящим в жидкости. Несомненный интерес представляет собой комплексные исследования металлических жидкостей (то есть взаимосвязи между структурой и физическими свойствами), позволяющие сделать выводы о структурной единице жидкости, о характере распределения атомов разных сортов, что в общем случае связано с характером взаимодействия между частицами, составляющими жидкость. Одним из важнейших термодинамических показателей бинарной системы является энтропия смешения. Из самого смысла энтропии как меры разу-порядочения системы следует необходимость связи между строением расплава (типом атомного упорядочения) и значениями и характером концентрационной зависимости энтропии [40]. В связи с этим в зависимости от пре имущественного окружения атома од-носортными или разносортными атомами можно ожидать как отрицательного, так и положительного вклада в энтропию слагаемого, обусловленного м типом упорядочения атомов [41]. Степень отклонения системы от идеальности характеризуется величиной из- ?ь быточной энтропии смешения ASW36-Из результатов расчетов вклада отдельных слагаемых в избыточную энтропию смешения [42] видно, что единственное слагаемое, которое дает и положительный, и отрицательный вклад, является вклад за счет упорядочения в системе S,1S что в каждом конкретном случае определяется концентрационной зависимостью т (л. - коэффициент упаковки, зависящий от размерного фактора о і и а2). Для расплавов систем А1 - Mg, Na - К, Ag - Sn с преобладающим взаимодействием разносортных атомов значение л во всей концентрационной области выше аддитивной прямой (рис. 1.8). Это связано с тем, что данные системы в жидком состоянии характеризуются высокой плотностью упаковки атомов, что в рамках модели отражает наличие преимущественного взаимодействия разносортных атомов. Аналогичная зависимость х\ характерна для системы Pb -Sn с типично эвтектической диаграммой состояния, но с широкой областью твердых растворов на основе свинца. Системы эвтектического типа с перегибом на линии ликвидус (А1 — Sn, Bi - Zn) характеризуются преимущественным взаимодействием односортных атомов и концентрационная зависимость ті везде ниже аддитивной прямой.
Суммарный тепловой эффект межатомного взаимодействия компонентов в процессе образования жидкого сплава отражает интегральная энтальпия смешения. В большинстве случаев между энтальпией смешения и типом диаграммы состояния имеется закономерная связь: образование многих систем с промежуточными фазами сопровождается выделениями тепла (отрицательная энтальпия смешения), а при образовании систем с эвтектикой или ограниченной смешиваемостью компонентов в жидком состоянии происходит поглощение тепла (положительная энтальпия смешения) [43]. Максимальное значение положительной энтальпии смешения у простых эвтектических систем во многих случаях соответствует не эвтектическому составу, а иному, обычно близкому к эквиатомному (концентрация 50±10 ат.%). В системах с перегибом на одной из ветвей линии ликвидуса (с пологим, иногда почти горизонтальным участком) максимальная энтальпия смешения отмечается при концентрации, близкой к середине того участка [43]. Изучение свойств жидких сплавов (вязкость, электропроводность, мольный объем, активность, поверхностное натяжение, плотность, магнитная восприимчивость, растворимость), выявило корреляцию между изотермами этих, свойств и диаграммами состояния. Для систем с полным взаимным растворением компонентов в твердом состоянии характерно монотонное изменение изотермы свойств для расплавов, а также незначительное отклонение (обычно отрицательное) от идеального раствора. Для систем с эвтектикой большинство авторов отмечают изменение функциональной зависимости для вязкости в области эвтектических концентраций (минимум на изотерме) и положительные отклонения термодинамических свойств от идеальных растворов (закона Рауля), что свидетельствует о преобладании в таких расплавах энергии связи между одноименными частицами над энергией между разноименными и о появлении микрообластей с преимущественной концентрацией одного из компонентов [44, 45]. Наличие в твердом состоянии сильного химического взаимодействия между компонентами, сопровождающегося образованием устойчивого хими еского соединения, должно проявляться в значительной степени и в жидкости. Для данного типа диаграмм большинство исследователей наблюдали соответствие диаграмме состояния диаграммам состав-свойство. В большинстве случаев координате химического соединения отвечает минимум на изотерме электропроводности, максимум на кривой вязкости, изгибы на изотермах магнитной восприимчивости, поверхностного натяжения, электродвижущих сил, максимальная величина отклонения от аддитивной прямой изменения молярных объемов (до 20 - 25 %) и активностей [46]. Для данного типа расплавов с уверенностью можно говорить о сохранении в жидкости структуры, унаследованной от твердого состояния. Таким образом, для всех типов бинарных сплавов металлов наблюдается корреляция структуры и свойств в жидком состоянии. Вопросу теоретического определения изл у нательных характеристик твердых веществ уделено много внимания в различных монографиях [47 -49]. В этих работах подробно рассматриваются выводы, полученные с помощью электромагнитной (классической), электронной и квантовой теории. Первые попытки вычислить излучательные характеристики были сделаны в рамках электромагнитной теории Максвелла. Установлена следующая связь между диэлектрической постоянной вещества х, электропроводностью с и где п - показатель преломления, к = показатель поглощения, kj- коэф 4ж фициент поглощения, X - длина волны падающего излучения. Уравнение Друде получено для расчета монохроматической нормальной степени черноты металлов
Экспериментальные методы исследования спектральных степеней черноты металлов и сплавов
Все методы измерения монохроматической степени черноты є;, разделяют на прямые и косвенные. Прямыми методами измеряется непосредственно Si , косвенными - отражательная способность р или поглощательная способность а-к, а затем на основании закона Кирхгофа находится монохраматиче-ская степень черноты. К косвенным методам относится также расчет значений с\ по измеренным значениям оптических констант пик. Прямые методы обычно применяют при высоких температурах, косвенные методы - при низких. В прямых методах можно выделить два основных способа организации измерений - способ пирометра и способ непосредственного сравнения с эталоном, излучательные свойства которого считаются известными. Классический способ пирометра основан на использовании формулы 5л = {Сг} 1тн х,-Утт) гДе Tucm - истинная температура образца, Тярк - его яр-костная температура при длине волны X, измеряемая яркостным пирометром. Спектральную степень черноты жидкой меди авторы работы [61] измеряли методом оптического пирометра. Измерялись яркостная температура поверхности металла Тм при X = 0.656 мкм и температура модели черного тела Тч, находящейся в термическом равновесии с изучаемым металлом. Для плавки металла использован массивный молибденовый блок (рис. 2.6), нагреваемый токами высокой частоты (75 кГц) в поле цилиндрического индуктора. Тигель с металлом помещен в камеру, которая была зачернена сажевым покрытием. Это предпринято для уменьшения влияния отраженного излучения на значение яркостной температуры поверхности расплава. Исследуемый жидкий металл размещен в центральной цилиндрической полости диаметром 7 и глубиной 15 мм. Соосно центральной полости в блоке высверлены две полости такой же глубины и диаметром 2.2 мм. Стенка, отделяющая одно из отверстий от полости с металлом, имеет толщину 1 мм. Это сверление и рассматривается в данных измерениях как базовое черное тело. Оптический эталонный пирометр ЭОП-66 через призму и стекло камеры визируется во время опыта то на поверхность расплава, то на пирометрический канал. Такие измерения проводятся в условиях установившегося (стационарного) режима, когда температурное поле системы перестает зависеть от времени. Способ непосредственного сравнения с эталоном [62] обычно предполагает наличие линейного по отношению к лучистому потоку приемника излучения. Определение єх основано на выполнении при определенных условиях равенстве єл = / — где єі спектральная степень черноты эталона, S, S3 соответствующие яркостям образца и эталона сигналы на выходе регистри рующего прибора.
Температура при этом является лишь параметром отнесения, что позволяет добиваться меньших погрешностей, чем при использовании способа пирометра. Таким образом, анализ экспериментальных методов измерения теплового излучения показывает, что не все методы подходят для измерения нормальной юлучательной способности жидких металлов и сплавов. Для реализации этой задачи наиболее подходит радиационный метод. В предложенной ниже методике измерения реализован абсолютный радиационный метод без применения фокусирующей оптики. Измерение теплового излучения проводилось абсолютным радиационным методом. Использован радиометр прямого видения без фокусирующей оптики. Исследованные расплавы металлов и сплавов находились в вакууме или среде инертного газа. Основными элементами экспериментальной установки (рис. 2.7) были радиометр, резистивныи нагреватель с исследуемым веществом и модель черного тела. Помещены они в вакуумируемую камеру, изготовленную из нержавеющей стали Х18Н10Т. В боковых стенках камеры имелись три окна, выполненные из термостойкого стекла диаметром 50 мм. Через окна производилась подсветка и визуальный контроль состояния поверхности исследуемого расплава. Все детали, размещаемые в вакуумной камере (радиометр, токовводы, заслонка, вводы проводов радиометра и термопар), монтировались на верхнем фланце корпуса. Материал резистивного нагревателя - танталовая (вольфрамовая, молибденовая) лента. В центре ее в небольшом углублении помещался исследуемый расплав (рис. 2.8 а). Крепился нагреватель на охлаждаемых водой токовводах, которые были изолированы от верхнего фланца корпуса фторопластовыми кольцами. Питание резистивного нагревателя осуществлялось от сварочного трансформатора ТС - 500 током промышленной частоты. Плавное регулирование напряжения, подаваемого на сварочный трансформатор, производилось лабораторным автотрансформатором РНО-250-10. В целях избежания скачков напряжения при измерении теплового излучения расплавов в режиме изотермических выдержек использовался стабилизатор напряжения Varcon СНЭО-5. Источником равновесного излучения служила модель черного тела, изготовленного в форме цилиндрического стакана, толщина стенки которого равна 0.3 мм (рис. 2.86). Характерные размеры модели: длина 100 мм, диаметр мм. Внутри цилиндриче ской полости было установ лено 5 диафрагм. Диаметр наружной диафрагмы равен 10 мм. На донышке модели имелись концентрические канавки глубиной 1 мм и уг лом при вершине 55. Сте пень черноты модели абсо лютно черного тела по этим параметрам равна є0 — 0.99 [63, 64]. Модель при снятом резистивном нагревателе крепилась на тех же токо подводах, нагрев ее осущест
Поток инфракрасного излучения от модели черного тела и исследуемого сплава регистрировался радиометром прямого видения без фокусирующей оптики (рис. 2.8), в качестве чувствительного элемента в котором использовался термостолбик, собранный из десяти хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно [65, 66]. Приемная площадка термостолбика выполнена в виде звездочки и покрыта платиновой чернью. Холодные концы термостолбика были прижаты к корпусу через тонкие кольца слюды и термо-статировались водой из ультратермостата U-10. Температура в ультратермостате поддерживалась равной 293К и контролировалась термометром Бекма-на. ЭДС, развиваемая термостолбиком, регистрировалась универсальным цифровым вольтметром В7-21 класса точности 0.05. Размер образца был примерно в два раза больше участка металла, с которого излучение попадало в радиометр. Поэтому при разных температурах и небольших неточностях настройки радиометр всегда «видел» образец. Тепловой поток, попадающий на приемную поверхность термоэлемента, формировался двумя диафрагмами, они же определяли телесный угол фиксируемого теплового потока. Корпус радиометра и его диафрагмы термостати-руются водой из термостата U - 10. Для снижения нагрева термоэлемента и возможного осаждения на нем паров исследуемого металла применена водо-охлаждаемая заслонка, перекрывающая зрачок радиометра между измерениями. Экспериментальная ячейка вакуумировалась высоковакуумным агрегатом АВП-100 и форвакуумным механическим насосом 2НВР-5ДМ. Измерение вакуума проводилось тепловым преобразователем ПМТ-2 и ионизационным ПМИ-2 со вторичным прибором ВИТ-2. При измерениях ячейка была заполнена аргоном с процентным содержанием не хуже 99.99%. Система приготовления и подачи инертного газа осуществлялась следующим образом. Применяемый инертный газ из баллона подавался в фильтры, где проходил очистку от возможных механических включений, влаги, масла. Фильтры заполнялись силикагелем или цеолитом с прокладками из фетра. В ходе работы их периодически заменяли. Далее газ попадал в промежуточный объем, где располагалась вольфрамовая спираль, нагреваемая через водоохлаждаемые токовводы от лабораторного автотрансформатора ЛАТР-10. Степень нагрева спирали контролировалась по подаваемому на нее току. Небольшие, двух- и многоатомные примеси в инертных газах при длительной выдержке в промежуточном объеме связывались в результате химической реакции на поверхности спирали. Так значительно снижали возможность попадания посторонних газов в рабочую камеру и последующего их реагирования с нагретым твердым или жидким исследуемым металлом. Возможный поток масла из диффузионного насоса отсекался последовательно установленными двумя ловушками. Многократная откачка камеры и прогон инертного газа через нее, перед началом плавления образцов, способствовали очищению камеры
Влияние полиморфных превращений на тепловое излучение жидких металлов
Полиморфные превращения в жидких металлах есть результат преобразований структуры расплава [17]. При этих переходах нарушается характер зависимости термодинамических и теплофизических свойств от температуры. Происходит изменение температурных коэффициентов, которое может сопровождаться скачком рассматриваемого параметра. Обзор результатов исследований полиморфных изменений свойств расплавов металлов приве-ден в главе 1. Указанные изменения свойств малы по сравнению с процессами плавления. Если измерения проводить с большим шагом по температуре, то их обычно нельзя уловить, что и наблюдалось в старых экспериментальных исследованиях. Влияние структурных преобразований при полиморфных превращениях в жидких металлах на их тепловое излучение ранее не исследовалось. Тепло вое излучение лития, натрия, калия, магния, кальция, титана, кобальта, меди, щ цинка, кадмия, алюминия, индия, олова, свинца, сурьмы и висмута исследо вано в работе [50]. Степени черноты расплавов железа, кобальта, никеля, алюминия, кремния и германия приведены в работах [53, 57, 69, 70, 71]. Степени черноты жидких цинка, алюминия, индия, сурьмы и висмута были измерены нами с шагом 5 — 10 К. Это позволило точнее фиксировать температуры полиморфных переходов. Имеющиеся измерения теплового излучения жидких металлов использованы ниже для анализа влияния полиморфных переходов на их тепловое излучение. В жидком литии около температуры S50 К монотонное изменение еп нарушается (рис. 3.1). Температурный коэффициент дєп/ВТувеличивается от 1.91Т0"4до2.04Т0"4. Интегральные степени черноты жидкого натрия имеют три излома при температурах 580 К, 780 К и 860 К (рис. 3.2). Температурные коэффициен ты степеней черноты дє„/дТ меняются от 1.65 10" до 1.67 10" , от 167"10" до 1.78 10"4, от 1.78-10"4 до 1.89-10"4. Структура натрия высокой чистоты исследовалась в работе [13], выполнены измерения дифракции нейтронов в интервале температур 373 — 873К.
Авторы работы [13] по температурной зависимости положения основного пика структурного фактора обнаруживают структурный фазовый переход в области 573 — 823К (см. рис. 1.1). Интегральные степени черноты жидкого калия обнаруживают два нарушения монотонного хода. При температуре 430К температурный коэффициент дєп /5Гменяется от 1.52-10"4 до 1.20 Ю"4, при температуре - 650К температурный коэффициент дєп/Заменяется от 1.20-10 4 до 1.00-10 4 (рис. 3.3). Тепловое излучение жидкого магния измерено в работе [50] с шагом 10- 15 К. Обнаружено нарушение монотонного хода зависимости теплового излучения от температуры при 950 К (рис. 3.4). Температурный коэффициент дє„/дТ при этой температуре меняется от 3.5210" до 2.77 10" . Тепловое излучение жидкого кальция, исследованное в работе [50], измерено с шагом 30 - 50 К, поэтому температуру полиморфного перехода можно предположить с большой погрешностью. Нарушение монотонного хода температурной зависимости степеней черноты наблюдается при температуре 1230 - 1260 К (рис. 3.5). Температурный коэффициент дєп/дТ при Л А этом изменяется от 1.69-10" до 1.40-10" . Титан. 1 ,= 1943 К. Тепловое излучение жидкого титана исследовано в работе [50]. Наблюдается нарушение монотонного хода температурной зависимости степеней черноты при температурах - 2110 К и 2250 К (рис. 3.6). Температурный коэффициент дє„/дТ меняется при этих температурах от 3.39 10" до 6.02 10" и от 6.02-10"4 до 5.45-10"4. 0.60 0.55 0.50 0.45 Тепловое излучение железа исследовано в работах [53 и 57]. Данные работы [53] сняты с графика небольшого формата. В работе [57] для жидкой фазы имеется всего три значения степени черноты с интервалом 40 - 60 К (рис. 3.7), по которым невозможно судить о температурах полиморфных превращений и их влиянии на тепловое излучение железа. Тепловое излучение жидкого кобальта исследовано в работах [50, 57] (рис. 3.8). Интегральные степени черноты жидкого кобальта по [50] обнаруживают два нарушения монотонного хода при температурах 1830 К и 1990 К. Температурный коэффициент дєп/дТ меняется при этих температурах от 1.07 10"4 до 1.65-10"4 иоті.65 10"4 до 1.98 10"4. Интегральные степени черноты по [57] получены с шагом 100 К и имеется всего три замера в жидкой фазе, по которым невозможно судить о влиянии полиморфных превращений на тепловое излучение кобальта. 0.26 0.24 Тепловое излучение жидкого никеля исследовано в работах [57, 69, 70, 71]. Степени черноты в работах [69, 70, 71] приведены на графиках небольшого формата и различаются на 8 - 10%. Данные [57] получены с шагом 100 К и ниже остальных на 18-20 % (рис. 3.9). Определить по этим данным
