Высокотемпературные физические свойства и фазовые превращения тугоплавких металлов и некоторых сплавов в конденсированном состоянии Цапков, Виктор Иванович

Введение к работе

Актуальность проблема

Итере* к физическим ввойетваы металлов к «плавов в кон-депеврованнои «оотоянна в вироком диапазоне изменения параиа-spos состояния непрерывно возрастает. Это вызвано правде всего запросами праетакн. Очень ваянии явяяетоя изучение нзмвне-шш свойєїв металлов в спхавов в твердой востояннн при врнблм-аевна в точке плавленая. Это обусловлено геи, что существует связь ыеаду качеством готовых отливок а свойствами вецества в области предпдавления. Представляет тагае большой практический интерес исследование неравновесных процессов при иштуль-еном температурном 203яе8стзии на материал. Кроме практического, дроблена представляет и чисто научный интерес. Известно, что теории плавления и евдкого металлического состояния еще весьма далеки от совершенства и для их усяеаного развития требуется допояяйгельаке результати. Важное значение имеет получение экспериментальных данных и поиск общих закономерностей ивыонеиия свойств вещества при переходе твердое тело-жидкость, а также в его окрестности. Большой научный интерес представляет изучение неравновесных фазовых переходов. Все это веобхода-ыо дяя^реаения фундаментальных проблей физики твердого тела, теплофизики и физики конденсированного состояния веаества.

Несмотря на научный и практический интерео к свойствен иеталлов н сплавов, многие из них, особенно высокотемпературные, научены недостаточно. Такое положение обусловлено исключительно больными трудностями экспериментальных исследований при температурах превышающих 2000 - 2500 К традиционными методами. Для преодоления этих трудностей в последнее время начал применяться наиболее перспективный метод - нагрев провод-вика одиночным мощным импульсом тока. Однако к моменту начала работы (1971 г.) это* метод был еще несовершенен и требовал дальнейшего развития.

ймевдиеоя же в литература результаты для металлов в боль-вавстве случаев были мало снотенатизирована, яе выявлены овяаи отдельных характеристик, что яе позволяло прогнозировать

'высокотемпературные свойства неисследованных иеталлов. Все наложенное определяет актуальность темы диссертации.

Работа проводилаоь в рамках госбюджетной НИР Московского института (акадеиии) прикладной биотехнологии (гос. регистр. № 01.860064935), руководитель темы - автор диссертации.

Цель и задачи работы

Основной целью работы является получение новых данных о высокотемпературных физических свойствах и фазовых превращениях иеталлов, прежде всего тугоплавких, и некоторых их сплавов; установление закономерностей, связывающих отдельные физические свойства металлов и оценка на основе полученных зависимостей высокотемпературных характеристик неисследованных металлов.

Реализация поставленной цели достигалась путем решения следующих задач:

1. Исследовать зависимость электросопротивления от энта
льпии в интервале температур от комнатной до температуры, пре
вышающей точку плавления, включая область плавления, для пе
реходных и редкоземельных металлов; кристаллических сплавов

на основе молибдена, вольфрама, меди, никеля, железа; аморфных оплавов на основе меди, кобальта.

2. При скорости нагрева I0⁷ К/с исследовать: высокотем
пературную теплоемкость переходных металлов и сплава вольф
рам - рений в окрестности точки плавления, тепловое расшире
ние при плавлении, плавление и полиморфные превращения, теп
ловое излучение в облаоти фазовых переходов металлов и спла
вов.

., 3. Развить импульсную методику исследования овойотв проводников, разработать схемы, спроектировать и создать установку и комплекс устройств, позволяющих определить в импульоном режиме при окорости нагрева Ю⁷ К/с зависимость электросопротивления проводников от энтальпии, интенсивность теплового излучения и изменение коэффициента отражения, расширение. 4. Используя экспериментальные и литературные данные, провести их анализ о целью выявления общих закономерностей изменения свойств металлов и установления взаимосвязей отдельных параметров. Проанализировать полученные значения (расче-

тные и экспериментальные) параметров металлов в сваей о их по-яокениви в периодической системе и о юс электронным строением.

Научная новизна

I. Импульокым методом при скорости нагрева ~ 10 К/о получена зависимость электросопротивлении от энтальпии р(Н) в интервале температур от комнатной до температуры, яра-цааицей точку плавления, включая области фааовых переходов, для 15 переходных а редкоземельных металлов, 18 сплавов переходных металлов; исследованы особенности зависимости Р (К) для малоизученных областей параметров. С использованием полученных данных рассчитана температурная зависимость теплоемкости твердой фазы вблизи точка плавления и проведен ее детальный анализ для ? тугоплавких переходных металлов. Вая-йяона связь параметров зависимости р (Н) о концентрацией ре-йня и ыояибдеаа в сплавах вольфрам-рений и вольфрам-молибден.

- 2. Впервые измерены все параметра плавления (значения эн-эальпна в электросопротивления в начале и в конце плавления, теплота плавления, окачок сопротивления при плавлении) для Ї6 сплавов; для двух сплавов и II металлов измерена часть параметров плавления (остальные параметры были известны рангие). В реаультате анализа собственных н литературннх данных установлены корреляций иегду параметрами плавления металлов и структурой внешних электронных оболочек атомов.

3. В условиях импульсного нагрева со окороотью 10 К/с
определена'энтальпия в начале и в конце полиморфного

«A-/J перэхода титана, циркония, гафния, иттрия, гадолиния, окаядая (раньше были данные при скоростях нагреве, не превн-накцнх 10^ К/с_?для титана, циркряия,.гафния, а для остальных металлов - при стационарных условиях). Показано, что ранее обнаруженный перегрев d - фазы титана и циркония другими последователями при окорооти нагрева 10* К/о,возрастает при увеличении скорости до I0⁷ К/с.

4. Впервые экспериментально иооледоваїш оообенноотн теп
лового иаиучения в области фваозых переходов гадолиния, окан-
дия, иттрия, гольмия и сплавов на основе вольфрама, молибде
на, ниобия, веди, никеля. Выявлено, что интенсивность тепло
вого излучения в облаоти плавления у одной группы проводни-

ков монотонно возрастает, у второй - монотонно уменьшается, а у третьей - ионотонность изменения интенсивности нарушается. Обнардяаны аномалии излучения в твердей фаве у сплавов ВР-20 и иедь-галлий-германий. Установлена корреляция между характером изменения интенсивности теплового излучения при плавлении и при полиморфном переходе у гадолиния, иттрия и скандия.

5. Экспериментально выявлены закономерности расширения меди при плавлении: в начале его происходит увеличение диаметра образца, а затем, на определенной стадии процесса плавления, диаметр уменьшается; в конце плавленая наблюдается быстрое расширение.

.6. Установлен ряд новых зависимостей, связывающих отдельно свойства металлов, среди которых: а) скачок электросопро-їивления при плавлении и удольное электросопротивление твердой фазы в точке плавления для 4 - металлов о незаполненной d - оболочкой; б) энтальпия твердой фазы в точке плавления и: анергия образования вакансий Е_в, энергия активации вязкого течения металла Е, критическая температура Т_к; в) параметры электронов овязи и: температурная производная поверхностного натяжения жидкой фазы Ж в точке плавления, модуль сжимаемости 6 жидких металлов в точке плавления, критичеокое давление Р_к; г) критический фактор сжимаемости %_к и: атомная масса, эффективный варяд ядра, отношение критической плотности Р% к плотности жидкой фазы при температуре плавления Т_пл; д) температурная проивводная плотности жидкой фазы и плотность в точке плавления; э) межфазная поверхностная энергия б^л, на границе равдела кристалл-расплав и Т_пл.

1. С использованием новых соотношений оценен ряд значений величин для неисследованных металлов ( Mj , _SL , В, Е, Ej, Т_к, Р_к, % _к, Р _к, удельная полная поверхностная энергия жидкого металла и температурная производная плотности жидкой фазы при Т_пл, параметры уравнения Ван-дер-Ваальса) и выявлены общие закономерности их изменения в овязи с положением в периодичеокой системе Д.И.Менделеева.

2. Аппаратуряо-матодичеокве разработки: а) усовершенствована методика исследования проводников одиночным импульсом"

і*

тока (выбраны оптимальные параметры импульса) и создана установка о применением искусственной линии, формирующей субмилли-секундные импульсы, что позволило получить зависимость электросопротивления проводников от энтальпии в интервале температур от комнатной до температуры, превышающей точку плавления; б) разработан емкостной метод и создана установка для исследования теплового расширения проводников, особенностью методики и установки являетя возможность исследования в импульсном режиме нагрева со скоростью до I0⁷ К/с при большой чувствительности к изменении геометрических размеров образца.

На защиту выносятся следующие новые результаты и положения, перечисленные в пункте "Научная новизна":

1. Экспериментально полученную зависимость электросопротивления от энтальпии и результаты ее анализа для 15 металлов и 18 сплавов.

2. Впервые измеренные параметры плавления для II металлов и 18 сплавов.

3. Результаты исследования температурной зависимости теплоемкости твердой фазы вблизи точки плавления при скорости нагрева Ю⁷ К/с для вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, платины, родия и иридия.

4. Результаты исследования полиморфных превращений-при скорости нагрева ДО К/с в титане, цирконии, гафнии, иттрии, гадолинии и скандии.

5. Экспериментально выявленную закономерность тепловоге расширения меди в процессе плавления.

6. Результаты исследования теплового излучения проводив-. ков в области фазовых переходов.

7. Выявленные взаимосвязи и установленные соотношения между отдельными физическими величинами металлов.

8. Результаты оценок по новым соотношениям параметров неисследованных металлов и закономерности их изменения в связи с положением в периодической оистеме.

9. Новые аппаратурно-методические разработки.

5"

Научная и практическая ценность результатов

Полученные з работе результаты представляют интерео для дальнейшего развития теории фазовых превращений, фявики твердого тела, теплофизики, фигики конденсированного состояния вещества и др. Установланннэ эмпирические закономерности способствуют более глубокому пониманию природы конденсированного состояния вещества и будут стимулировать развитие теории. Кроме того, полученные соотношения позволят прогнозировать свойства неисследованных металлов. Полученные в широкой области, параметров состояния данные (экспериментальные и расчетные) могут быть включены в информационные банки и применены при решении многих прикладных задач. Результаты работы исполь-э„;яся на кафедре физики Иосковокой государственной академии прикладной биотехнологии в учебном процессе. Методические разработки и схемы установок могут найти применение в других организациях для постановки новых исследований, связанных, в частности, о дальнейшим выяснением закономерностей фа8овнх переходов в условиях больших скоростей нагрева, а гакяе для других целей. Ряд материалов диссертации использован в справочниках, монографиях, обворах (см., например, /Л. I - ?/).

Личный вклад автора

Представленные в диссертации материалы являются обобщвт-нием результатов почти 25 - летней работы автора в области исследования конденсированного состояния вещества. Работы совместно с сотрудниками Римским Н.Н., Ануриным B.Q., Косты-шзвой 7.В. и Козловой Г.В. выполнены под непосредственным руководством и личном участии автора. Диссертанту принадлежат формулировка задачи, руководство и участие в эксперименте, в обработке данных; анализ-н интерпретация результатов, форму-лировка- выводов, написание текстов совместных''публикаций. Из работ, выполненных в соавторстве с Мартынюком U.U., использованы материалы, принадлежащие диссертанту.

Из 49 работ, в которых изложены основные результаты диссертации, 22 написаны без соавторов.

Апробация работы и публикации

В тачание всей работы ее результаты систеыагически докладывались и обсуждались на научных оеминарах кафедры физики Московского института (академии) прикладной биотехнологии. Кроие того, основные результаты докладывались я обсуждалась на физической факультете ЫГУ им. U.В.Ломоносова (кафедры фич . зики кристаллов и молекулярной фиаикн), ЦНМИЧУ т И.П.Бардина, на аеотой (1971 г.), восьмой (1972 г.). двадцать восьмой (1992 г), двадцать девятой (1993 г.} научных конференциях Университета друабы народов.'

Результаты диссертации изложены в 49 публикациях, з тоы числе в одной монографии.

Структура и объем диссертации

Днооергацэя cocsoks аз введення, чеггнрвх гяав, ваклю-чения в пралогэЕЕЯ« Общей обаеы работы 479 страниц, вкятвя 253 рисунка, 97 таблиц. Библиографии наочктывает 331 цатаро-зввных иоточнива, вклвчая работы автора.