Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и обоснование направлений исследований 12
1.1 .Обзор литературных данных по свойствам сплавов алюминия 12
1.2. Основные характеристики компонентов исследуемых объектов
Глава 2. Экспериментальные установки для измерения тепло-физических и электрофизических свойств сплавов алюминия 41
2.1. Экспериментальные установки для измерения теплофизических свойств (теплопроводность, удельная теплоемкость и температуропроводность) твердых тел 41
2.2. Методика измерения теплопроводности, удельной теплоемкости твердых сплавов 44
2.3. Расчетные формулы для вычисления теплофизических свойств твердых тел по данным опыта 44
2.4. Определение погрешности измерения теплофизических свойств веществ 46
2.5. Измерение электрических сопротивлений 50
Глава 3. Тепло-и электрофизические свойства алюшшпево-медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием в зависимости от температуры 56
3.1. Основные характеристики сплавов алюминия 56
3.2. Исследование теплопроводности алюминиево-медно-сурьмяньсс сплавов, легированным кремнием матемяпжскггатистическим методом планирования эксперимента 59
3.3. Теплофизические свойства ( теплопроводность, удельная теплоемкость и температуропроводность) алюминиево-медноч^урьмяньк сплавов, легированным кремнием в зависимости от температуры 69
3.4. Удельное сопротивление алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием в зависимости от температуры S3
3.5. Взаимосвязь электропроводности и теплопроводности алюминие-во -медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием 85
3.6. Расчет энергии активации алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием 92
3.7. Теплопроводность алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированным кремнием на основе функции Лоренца при высоких температурах 94
3.8. Анализ экспериментальных данных по тепло- и электрофизическим свойствам исследуемых сплавов. 97
Глава 4. Моделирование процесса теплопереноса и обобщение экспериментальных данных по тепло- и электрофизическим свойствам алюминиево-медно-сурьмяных сплавов 107
4.1 .Расчет теплопроводности алюминиево-медно-сурьмяных сплавов в зависимости от температуры 107
4.2 . Расчет удельного сопротивления алюминиево-медно-сурьмяных сплавов 114
4.3 .Обработка экспериментальных данных по теплофизическим свойствам алюминиево-медно-сурьмяных сплавов 115
4.4.Обработка и обобщение экспериментальных данных по электро проводности исследуемых объектов 123
4.5.Взаимосвязь между теплопроводностью и электропроводностью алюминиево-медно-сурьмяных сплавов 126
Основные результаты и выводы 129
Список литературы 131
Приложение 144
- Основные характеристики компонентов исследуемых объектов
- Методика измерения теплопроводности, удельной теплоемкости твердых сплавов
- Исследование теплопроводности алюминиево-медно-сурьмяньсс сплавов, легированным кремнием матемяпжскггатистическим методом планирования эксперимента
- Расчет удельного сопротивления алюминиево-медно-сурьмяных сплавов
Введение к работе
Прогресс во многих областях науки, техники и, особенно, технологии, практически невозможен без необходимых достоверных данных, используемых при постановке задач для исследований, проектирования и эксплуатации материалов и изделий.
Тепло- и электрофизические свойства материалов: теплоемкость, линейное расширение, плотность, теплопроводность, температуропроводность и удельная электропроводность являются важнейшими физическими характеристиками, определяющими закономерности поведения этих материалов при различных внешних воздействиях. К сожалению, до настоящего времени такие сведения весьма скупы даже для элементов, а имеющиеся данные носят разрозненный и часто - противоречивый характер. Так, практически нет систематизированных данных, необходимых для увязывающих между собой в термодинамическом тождестве удельную теплоемкость, плотность и коэффициент температуропроводности. Для металлов, кроме того, желательно иметь сведения о связи тепло- и электропроводности. К теплофизическим свойствам веществ принято относить широкий класс характеристик, изменения которых связаны с изменением температуры веществ. Традиционно к теплофизическим свойствам относятся такие свойства, как теплоемкость, термическое расширение, температуропроводность и теплопроводность.
Одним из недостатков существующих литературных данных, кроме
неполноты и недостаточной достоверности многих из них, является
' неувязанность теплофизических свойств между собой. Для металлов имеет
*
место хорошо известная корреляция между их электронной теплопровод-ностью и электросопротивлением, носящая название соотношения Видемана-Франца-Лоренца (сокращенно В-Ф-Л) A.e=LoT/p, где р - удельное электросопротивление; Т - температура; Lo- стандартное число Лоренца; Lo=2,445-10 -В /К . И хотя это соотношение является лишь приближен-
ным, установление степени его справедливости полезно для анализа достоверности приводимых данных и для изучения физических особенностей явлений переноса.
Актуальность диссертационной работы заключается в том, что развитие современной науки и техники предъявляет все возрастающие требования к уровню, качеству и разнообразию свойств изделий из цветных металлов. В связи с этим особое значение приобретают производство и использование алюминия и его сплавов, обладающих высокой механической прочностью и пластичностью, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и рядом других свойств.
Литейные алюминиевые сплавы, содержащие кремний, силумины обладают коррозионностойкими свойствами. Из таких сплавов отливают цилиндры, корпуса, поршни, кронштейны и другие детали авиационных и автомобильных двигателей.
Исследование теплофизических и электрофизических свойств сплавов алюминия в зависимости от температуры представляет важную научную проблему, имеющую большую практическую значимость.
С практической точки зрения сведения о тепло- и электрофизических 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. Однако существующие нестационарные методы измерения тепло- и электрофизических свойств металлов и сплавов не позволяют в процессе единого эксперимента выполнять высокотемпературные исследования теплофизических свойств веществ как в твердом, так и в жидком состояниях. 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 тепло- и электрофизических свойств осуществляются с большим температурным шагом, что существенно снижает достоверность имеющихся экспериментальных данных, особенно вблизи магнитных и структурных фазовых переходов.
С научной точки зрения изучение комплекса тепло- и электрофизических свойств чистых металлов и сплавов на их основе в широком интервале температур интересно тем, что они являются удобными модельными объектами. Анализ экспериментальных данных о тепло- и электрофизических 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 четверные сплавы на основе алюминия практически отсутствуют экспериментальные данные об их тепло- и электрофизических свойствах при температурах 293,5-673,8 К, а имеющиеся литературные данные о теплоемкости и удельном электросопротивлении малочисленны и противоречивы.
Данная работа, посвященная исследованию теплоемкости, температуро- и теплопроводности, удельного сопротивления в мало исследованной области температур, имеет целью хотя бы частично восполнить пробел в экспериментальных изучении указанных свойств сплавов алюминия в зависимости от температуры и поэтому является актуальной.
Цель работы состоит в экспериментальном исследовании тепло- и электрофизических свойств алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированных кремнием в интервале температур 293,5-673,8 К и анализе особенностей механизмов переноса тепловой энергии в этих веществах при указанных условиях.
Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи исследования:
- обосновать возможность применения метода монотонного разогрева
для исследования теплофизических свойств металлов и сплавов;
создать автоматизированный измерительный комплекс для измерения теплопроводности, удельной теплоемкости металлов и сплавов методом монотонного разогрева;
провести обработку параметров сигнала на основе преобразований Фурье в автоматическом режиме;
выполнить комплексное исследование теплопроводности, удельной теплоемкости, температуропроводности и удельного электросопротивления сплавов в интервале температур 293,5-673,8 К, и получить коэффициенты температуро- и теплопроводности, пригодные для использования в качестве табличных характеристик исследованных материалов.
Научная новизна:
впервые выполнено комплексное исследование температуропроводности, удельной теплоемкости, теплопроводности и удельного электросопротивления алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированных кремнием в интервале температур 293,5-673,8 К;
разработана специальная измерительная аппаратура, осуществляющая автоматизированное измерение и обработку экспериментальных данных по теплофизическим свойствам исследуемых сплавов в интервале температур 293,5-673,8 К;
показано, что с ростом температуры значения теплофизических параметров исследованных сплавов увеличиваются;
получены новые результаты об удельном электросопротивлении этих сплавов при 293,5-673,8 К;
установлено, что физические свойства исследуемых сплавов изменяются немонотонно с ростом концентрации кремния.
Практическая значимость работы заключается:
- в применении метода монотонного разогрева для исследования
теплофизических свойств твердых металлов и сплавов;
- в создании автоматизированного измерительного комплекса,
позволяющего выполнять экспериментальные исследования этих свойств в
диапазоне температур 293,5-673,8 К;
- в получении справочных данных о теплофизических и электро
физических свойствах сплавов, которые могут быть использованы при
расчетах теплофизических характеристик композиционных материалов и
тепловых режимов работы металлических конструкций и изделий в
зависимости от температуры;
- в выполнении исследований теплофизических и электрических свойств сплавов системы (х Al+0,015Cu+(0,885-x)Si +0.1 Sb) в зависимости от температуры, позволившим получить справочную информацию, необходимую для выбора оптимальных тепловых режимов производства, обработки и эксплуатации материалов, созданных на основе этих сплавов.
Созданная аппаратура для измерения теплофизических свойств сплавов используется в научных и учебных лабораториях кафедры Теплотехники и теплотехнического оборудования Таджикского технического университета им. академика М.С.Осими, аспирантами и преподавателями для выполнения диссертационных работ и студентами при выполнении дипломных, курсовых и лабораторных работ.
Внедрение результатов работы.
Результаты исследования приняты для внедрения:
в АООТ «Арматурный завод» Министерства промышленности Республики Таджикистан - как справочные данные, а также для определения возможности использования исследуемых сплавов определенного состава на стадии проектирования, с целью усовершенствования технологического процесса и получения более качественной продукции;
в АООТ «Хумо» Министерства промышленности Республики Таджикистан — при расчетах технологических процессов в цехе механической обработки.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты экспериментального исследования теплофизических и
электрофизических характеристик кремнесодержащих сплавов алюминия в
интервале температур 293,5-673,8 К;
результаты исследования корреляции между электрическими и теплофизическими свойствами кремнесодержащих сплавов алюминия;
автоматизированная экспериментальная установка, позволяющая измерять удельную теплоемкость сплавов в зависимости от температуры ;
закономерности изменения теплофизических свойств (теплопроводности, удельной теплоемкости, температуропроводности) и электрофизических характеристик исследуемых объектов в зависимости от концентрации кремния в диапазоне температур 293,5-673,8 К;
закономерности изменения числа Лоренца для исследуемых объектов;
модель для расчета эффективной теплопроводности структуры гетерогенной системы, образующей твердые растворы или сплавы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на 8 и 9 Международных конференциях по изучению композиционных материалов (Флорида-2001, Сан Диего-2002, США), на Международных конференциях ITCC-26; ITCC-14 (Бостон, США-2001), на ITCC-27; ITCC-15 (Оак Ридж, США-2003), на Международной тепло-физической школе МТШ-4 (Тамбов-2001), на Межвузовской научно-практической конференции, ТТУ (Душанбе-2004).
Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных статей и тезисов докладов.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов работы и выводов, списка литературы (129 наименований) и приложения. Содержание работы изложено на 143 страницах, включая 38 таблицы и 30 рисунков.
Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена обзору результатов исследований физических свойств сплавов алюминия, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом.
Во второй главе рассматриваются экспериментальные методы измерения тепло- электрофизических свойств веществ в зависимости от температуры, обосновывается выбор методов для исследования теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности и четырех-зондового потенциометрического метода для изучения удельного электросопротивления, приводятся теоретические основы этых методов.
В третьей главе представлены полученные экспериментальные данные по теплопроводности, удельной теплоемкости, температуропроводности и удельному электросопротивлению алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, в зависимости от температуры, а также математико-статистичес-кого метода планирования эксперимента.
В четвертой главе приводится обработка экспериментальных данных по теплофизическим и электрофизическим свойствам алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированных кремнием и модель структуры гетерогенной системы.
В заключении подводятся итоги выполненного исследования.
В приложении приводится подробный расчет погрешности измерений теплоемкости, температуропроводности исследуемых объектов. Работа выполнена на кафедре теплотехники и теплотехнического оборудования Таджикского технического университета имени академика М.С.Осими.
Основные характеристики компонентов исследуемых объектов
Алюминий, Вторым по значению удельной электрической проводимости после меди при нормальной температуре техническим проводником электрического тока является алюминий. При пониженной температуре алюминий становится даже более проводящим, чем медь. Переход этот наблюдается вблизи температуры 70 К.
Предприятия-изготовители должны отбирать и поставлять заводам, производящим деформированные полуфабрикаты, алюминий технической чистоты марок А7, А6, А5 и АО с отношением примесей железа к кремнию не менее 1,2. К обозначению марки такого металла добавляются буква "П" и поперечная полоса того же цвета, которым маркируется металл.
В алюминии технической чистоты марки А5, поставляемом заводом, производящим деформируемые полуфабрикаты, содержание меди не должно превышать 0,015%.
В алюминии технической чистоты всех марок предприятие-изготовитель должно гарантировать содержание марганца не более 0,01% и магния не более 0,02%. В алюминии высокой и технической чистоты содержание железа, кремния и меди должно контролироваться в каждой плавке или выливке и указываться в сертификате. Содержание остальных примесей, указанных в таблице, определяется периодически. Алюминий технической чистоты марки АЕ должен обеспечить для изготовленной из него и отожженной при (350±20)С проволоки удельное электрическое сопротивление при 20С не более 0,028 мкОм-м.
Особая чистота 1. Железа в марке АЕ - не менее 0,18%.2. Содержание Ті в марке АЕ - для суммыTi+V+Mn+Cr3. Содержание натрия в алюминии всех марок химической и технической чистоты должно систематическиопределяться заводом-изготовителем методом фотометрии пламени.4. В алюминии марки АЕ допускается содержание кремния до 0,15% и примесей титана, ванадия, марганца ии хрома в сумме менее 0,015% при условия соответствия требованиям к электрическому сопротивлению
Удельное электрическое сопротивление р алюминиевой проволоки различных марок при 20С: AM - 0,028 мкОмм; AT, АПТ, АТП - 0,0283 мкОм-м. Удельное сопротивление чистого алюминия в некоторых других изделиях может допускаться до 0,029 мкОм-м. При нормировании р материала в изделиях из алюминия и его сплавов численное значение его может доходить до 0,0325 мкОм-м и выше.
Удельная теплота испарения 9,2 МДж/кг Температурный коэффициент линейного расширения алюминия а почти в 1,5 раза выше, чем у меди, и линейно возрастает с ростом температуры. Удельная теплоемкость алюминия почти в 2,3 раза выше, чем у меди. Плотность алюминия приблизительно в 3,5 раза меньше, чем у меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата теплоты (почти в 1,5 раза), чем для нагрева и расплавления такого же количества (массы) меди, хотя температура плавления алюминия ( 600С) ниже, чем меди (1083С). Зависимость удельной проводимости алюминия от содержания примесей показана на рис. 1,2.1 [50]. Из рисунка видно, что никель, кремний, цинк и железо в меньшей степени понижают удельную проводимость, чем магний, титан, ванадий и марганец. Температурный коэффициент линейного расширения меди монотонно возрастает с ростом температуры. Коэффициент теплопроводности меди существенно убывает в области низких температур и значительно меньше изменяется при температуре (0...1000) С. Удельная теплоемкость, наоборот, сильно возрастает в области низких температур и значительно медленнее при температуре (0...1000)С, Установлено, что удельное сопротивление меди с ростом температуры увеличивается, а температурный коэффициент удельного сопротивления уменьшается до температуры плавления меди.
Чистый кремний получают по способу Н.Н.Бекетова путем восстановления четыреххлористого кремния парами цинка при высокой температуре в защитной атмосфере. Кремний в соединениях является типичным неметаллом. Особенно устойчиво он соединяется с кислородом. При обычной температуре кремний мало активен. Он не реагирует с кислотами. Исключением является смесь фтористоводородной и азотной кислот, которая при нагревании реагирует с кремнием, образуя четырех фтористый кремний SiF4. Кремний вступает в реакции с расплавленными (или растворенными) щелочами с выделением водорода. При действии на кремний фтора образуется четырехфтористый кремний
При высокой температуре кремний соединяется почти со всеми элементами (кроме инертных газов). Это создает дополнительные трудности при получении чистого монокристаллического кремния, так как единственным пригодным материалом для тигля, в котором расплавляется кремний, является чистый кварц. С кварцем кремний также соединяется по реакции Si02+Si-»2SiO, но образующийся при этом оксид кремния, являющийся летучим веществом, сравнительно слабо воздействует на расплавленный кремний. Система кремний-алюминий (рис. 1.2.2) имеет эвтектику, содержащую 12,1% (ат.) кремния и плавящуюся при температуре 577,2С. В системе кремний-сурьма (рисЛ .23) должна наблюдаться эвтектика, соответствующая концентрации кремния 0,1% (ат.) с температурой плавления эвтектики на 0,4 К меньшей температуры плавления сурьмы. Максимальная растворимость сурьмы в кремнии не превышает 0,5% (ат.), а поверхностная концентрация сурьмы может достигать 1019 см"3. Сурьма. Сурьма - металл V группы периодической системы Д.И. Менделеева. Содержание в земной коре 5-10"6% по массе. В природе встречается в виде соединений %Ъг&г (сурьмяный блеск) и Sb2Oj, а также совместно с другими металлами (NiSb, 4Cu2S-Sb2S3; 3Ag2S-Sb2S3) [50,51]. Известны месторождения самородной сурьмы. Металлическую сурьму получают обжигом сернистых руд с последующим восстановлением образовавшегося оксида углем, либо при восстановлении сурьмы железом из сернистых соединений. Последующей очисткой содержание примесей может быть доведено до 10"5%.
Методика измерения теплопроводности, удельной теплоемкости твердых сплавов
Регулируя толщину образца, а также его плотность и форму (цилиндр), в системе оптимизируются экспериментальные параметры (энергия и импульс). Создаем изотермический режим при любой температуре от 293 до 673 К или можно использовать неизотермический режим с нагреванием или охлаждением в диапазоне от 0,02 до 1,2С/мин. Экспериментальные данные можно получить как вручную, так и автоматически. Толщина объекта и его диаметр выбираются соответственно от 4 до 5 мм . Энергия получаемая от нагревателя должна изменяться в пределах от 0,01 до 0,04 Вт/м . Надо отметить, что эти параметры меняются в зависимости от размеров (толщины ) образца.
Убедившись в получении изотермического режима, в нагреватель подаем определенный энергии и включаем нагреватель. Затем измеряем время распределения тепла в образце. В результате чего строим график зависимости температуры от времени .
На основе теории монотонного разогрева и закона теплового баланса получены следующие уравнения, позволяющие определить тешюфизичес-кие свойства ( удельную теплоемкость и теплопроводность) твердых тел в зависимости от температуры: для удельной теплоемкости Ср - удельная теплоемкость иследуемых объектов; т- масса образца (кг); Т ,Т2 -время нагрева пустого и заполненного калориметра ;КТ - тепловое проводимость тепломера (Вт/ К). для теплопроводности , = h/P0, Вт/(мК) (2.3.2) здесь h- высота исследуемого объекта, Р0 - тепловое сопротивление между стержнем и контактной пластиной ,(м К/Вт).
Для проверки правильности постановки экспериментов контрольные измерения были проведены с чистой медью, теплофизические свойства, которой достаточно изучены (таблица 2.1.1). Методы расчета погрешности экспериментальных данных приводятся в работах [59, 60-63], согласно которым нами рассчитана погрешность измерения теплопроводности. Среднее арифметическое значение (выборочное среднее) у результатов наблюдений определяется по формуле У = 1±У, (2.4.1) где п - число наблюдений; ys - результат і-го измерения. По нижеследующим формулам определяется абсолютная S и относительная SOTH величины выборочного среднего квадратичного отклонения результата одного наблюдения SOTH =.100%. (2.4.3)
Для расчета абсолютной Sy и относительной S отн оценки величины среднего квадратичного отклонения результата серии наблюдений использовали формулы: «Р=-Г; (2А4) S-om ==.100%. (2.4.5) У Доверительная граница случайной погрешности результата измерений Асл вычисляется по формуле Дел Sy tn_it i.g/a , (2.4.6) где є=1-а,а-доверительная вероятносить, которая принимается равной 0,95. Доверительная граница неисключенной систематической погрешности результата измерения 9 определяется по формуле: e=kij#, (2.4.7) где к - коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью и при а=0,95 равный 1,1; Gj - граница і-й соответствующей неиск-люченной систематической погрешности. Доверительную границу погрешности результатов измерения определяем по формуле A = ts-S2. (2.4.8)
С помощью уравнений (2.4.13) и (2.4.14) вычислена доверительная граница погрешности измерений в относительной форме при а=0,95. Для расчета методической погрешности измерения температуры опыта мы использовали методику, предложенную в работе [59], а также нами учтена инструментальная погрешность при измерении ЭДС тер мопары потенциометром или нановольтметром. Необходимая информация для количественной оценки погрешности содержится в таблице 2.4.1.
Расчеты показали, что доверительная граница погрешности измерений в относительной форме при а=0,95 для теплопроводности составляет 1,2-2,4%; для удельной теплоемкости 0,1-0,3%; методическая погрешность - 0,08% и инструментальная погрешность - 0,03%. 2.5. Измерение электрических сопротивлений 2.5Л. Измерение сопротивлений с помощью мостика Уитстона
Экспериментальная установка состоит из реохорд, набора сопротивлений, магазина сопротивлений, гальванометра, источника постоянного тока [100].
Мостик Уитстона предназначен для измерения сопротивлений. Он состоит из реохорды АВ, чувствительного гальванометра G и двух сопротивлений - известного R и неизвестного Rx (рис.2.5.1). Реохорд представляет собой укрепленную на линейке однородную проволоку, вдоль которой может перемещаться скользящий контакт D. Рассмотрим схему без участка ED. Замкнем ключ К. Тогда по проволоке АВ потечет ток и вдоль нее будет наблюдаться равномерное падение потенциала от величины Уд (в точке А) до величины VB (В точке В). В цепи АЕВ пойдет ток Ji и будет наблюдаться падение потенциала от VA до VE (на сопротивлении Rx) и от VE до VB (на сопротивлении R). Очевидно, в точке Е потенциал имеет промежуточное значение VE между значениями VA и VB. Поэтому на участке АВ всегда можно найти точку D, потенциал которой VD равен потенциалу VE В точке Е: VD=VE.
Исследование теплопроводности алюминиево-медно-сурьмяньсс сплавов, легированным кремнием матемяпжскггатистическим методом планирования эксперимента
Исследования теплопроводности алюминиевых сплавов, проведенные ряда исследователями [16, 21, 25, 36, 40, 44, 48, 82, 84, 89, 94, 123 и др.] показывают, что на величину коэффициента теплопроводности этих материалов влияют нижеследующие основные факторы; - вид составляющего компонента сплавов; - соотношения компонентов сплавов; - характеристики микроструктуры (размер зерен составляющих компонентов, размер воздушной прослойки между этими зернами и др.).
Сюда же можно добавить еще и известные факторы, влияющие на предельные значения коэффициентов теплопроводностей материалов, к которым относятся условия изготовления сплава, характер обработки образцов и т.д.
Для прикладных задач представляется актуальным на основе экспериментальных исследований установить влияние параметров состава материала на его теплопроводность. Причем параметры состава должны меняться в пределах, характерных для реальных материалов в зависимости от предъявленного практикой требования к ним. Для решения задачи в такой постановке были проведены экспериментальные исследования теплопроводности кремнесодержащих алюминиевых сплавов при варьировании параметров его компонентов. Исследования теплопроводности образцов из сплавов алюминия проводились на приборе Платунова ИТА.-400 имеюший цилиндрическую форму диаметром 15 мм и высотой 5 мм. Результаты исследований теплопроводности сплавов были подвергнуты статистической обработке. Для установления степени влияния соотношений компонентов сплава на его теплопроводность были использованы методы математического планирования эксперимента [128, 129]. В качестве независимых входных переменных показателей (варьируемых факторов) состава материала принимались: - массовая доля алюминия в сплаве - Zi; - массовая доля силиция в сплаве — Z2; - соотношение массовой доли силиция к суммарным массовым долям меди и сурьмы в сплаве - Z Выходным параметром сплава являлся коэффициент его теплопроводности (К) - У.
Проведя пробные эксперименты, были выявлены диапазоны варьирования входных параметров, оказывающие наиболее существенное влияние на выходной параметр материала, т.е. на его теплопроводность. А по полученному диапазону варьирования определялись численные значения варьируемых факторов в виде основного уровня и шага варьирования (см. табл. 3.2.1). Здесь тді, msi, mcu, пЦь и mcn - массы алюминия, силиция, меди, сурьмы и сплава. Теплопроводность исследуемых сплавов изменяется в значительном диапазоне, поэтому примем для реализации трехуровневый нелинейный план для к= 3 (табл, 3.2.2). Как и для всех методов статистического планирования, задача отыскания коэффициентов регрессии при реализации выбранного плана эксперимента является типичной задачей регрессионного анализа в том случае, если выполняются следующие предпосылки: 1. Результаты наблюдения У представляет собой независимую нормально распределенную случайную величину. 2. Дисперсия У при многократных повторных наблюдениях в любой точке / Xq/ не будет отличаться от дисперсии в любой другой точке / Xj /. 3. Независимые переменные Xj , Хг и Хз измеряются с пренебрежимо малой ошибкой по сравнению с ошибкой при определении У. Используя варьируемые факторы и интервалы их изменения, сначала производится расчет состава сплава. Для этого, помимо кодовой записи плана проведения эксперимента, составляется таблица натуральных значений переменных в каждом опыте (табл. 3.2.3). При проведении опытных составов в соответствии с выбранным планом результаты опыта в нулевой точке (все факторы на основном уровне) равномерно распределены между всеми остальными, дублируя их через каждые 3-5 измерении, т.е. принимался следующий порядок реализации трехуровневого нелинейного плана: опыты 1, 2, 3, 4, 5, 15, 6, 7, 8, 9, 10, 16, 11,12, 13, 14, 17.
Расчет удельного сопротивления алюминиево-медно-сурьмяных сплавов
Литейные алюминиевые сплавы, содержащие кремний, силумины обладают коррозионностойкими свойствами. Из таких сплавов отливают цилиндры, корпуса, поршни, кронштейны и другие детали авиационных и автомобильных двигателей.
Исследование теплофизических и электрофизических свойств сплавов алюминия в зависимости от температуры представляет важную научную проблему, имеющую большую практическую значимость.
С практической точки зрения сведения о тепло- и электрофизических 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. Однако существующие нестационарные методы измерения тепло- и электрофизических свойств металлов и сплавов не позволяют в процессе единого эксперимента выполнять высокотемпературные исследования теплофизических свойств веществ как в твердом, так и в жидком состояниях. 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 тепло- и электрофизических свойств осуществляются с большим температурным шагом, что существенно снижает достоверность имеющихся экспериментальных данных, особенно вблизи магнитных и структурных фазовых переходов.
С научной точки зрения изучение комплекса тепло- и электрофизических свойств чистых металлов и сплавов на их основе в широком интервале температур интересно тем, что они являются удобными модельными объектами. Анализ экспериментальных данных о тепло- и электрофизических 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 четверные сплавы на основе алюминия практически отсутствуют экспериментальные данные об их тепло- и электрофизических свойствах при температурах 293,5-673,8 К, а имеющиеся литературные данные о теплоемкости и удельном электросопротивлении малочисленны и противоречивы.
Данная работа, посвященная исследованию теплоемкости, температуро- и теплопроводности, удельного сопротивления в мало исследованной области температур, имеет целью хотя бы частично восполнить пробел в экспериментальных изучении указанных свойств сплавов алюминия в зависимости от температуры и поэтому является актуальной. Цель работы состоит в экспериментальном исследовании тепло- и электрофизических свойств алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированных кремнием в интервале температур 293,5-673,8 К и анализе особенностей механизмов переноса тепловой энергии в этих веществах при указанных условиях.
Для реализации поставленной цели требовалось решить следующие задачи исследования: - обосновать возможность применения метода монотонного разогрева для исследования теплофизических свойств металлов и сплавов; - создать автоматизированный измерительный комплекс для измерения теплопроводности, удельной теплоемкости металлов и сплавов методом монотонного разогрева; - провести обработку параметров сигнала на основе преобразований Фурье в автоматическом режиме; - выполнить комплексное исследование теплопроводности, удельной теплоемкости, температуропроводности и удельного электросопротивления сплавов в интервале температур 293,5-673,8 К, и получить коэффициенты температуро- и теплопроводности, пригодные для использования в качестве табличных характеристик исследованных материалов. Научная новизна: - впервые выполнено комплексное исследование температуропроводности, удельной теплоемкости, теплопроводности и удельного электросопротивления алюминиево-медно-сурьмяных сплавов, легированных кремнием в интервале температур 293,5-673,8 К; - разработана специальная измерительная аппаратура, осуществляющая автоматизированное измерение и обработку экспериментальных данных по теплофизическим свойствам исследуемых сплавов в интервале температур 293,5-673,8 К; - показано, что с ростом температуры значения теплофизических параметров исследованных сплавов увеличиваются; - получены новые результаты об удельном электросопротивлении этих сплавов при 293,5-673,8 К; - установлено, что физические свойства исследуемых сплавов изменяются немонотонно с ростом концентрации кремния.
