Структурные переходы и временная нестабильность в жидких Cu, Co, Fe и расплавах на основе Fe тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат физико-математических наук Бельтюков, Анатолий Леонидович

  • Бельтюков, Анатолий Леонидович
  • кандидат физико-математических науккандидат физико-математических наук
  • 2001, Ижевск
  • Специальность ВАК РФ02.00.04
  • Количество страниц 146
Бельтюков, Анатолий Леонидович. Структурные переходы и временная нестабильность в жидких Cu, Co, Fe и расплавах на основе Fe: дис. кандидат физико-математических наук: 02.00.04 - Физическая химия. Ижевск. 2001. 146 с.

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бельтюков, Анатолий Леонидович

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Теории и модельные представления жидкого состояния

1.2. О структурных превращениях в металлических жидкостях

1.3. Структура и кинетические свойства жидких меди, кобальта и железа

1.4. О влиянии малых добавок на свойства жидкого железа

1.5. О немонотонной временной релаксации в неравновесных металлических расплавах 37 Выводы по материалам первой главы и постановка задачи исследований

Глава 2. Методики исследований и обработка экспериментальных данных

2.1. Метод крутильных колебаний для определения вязкости жидких металлов

2.1.1. Теория метода крутильных колебаний стаканчика с расплавом

2.1.2. Конструкция вискозиметра

2.1.3. Методика измерений и обработка полученных результатов

2.2. Метод лежащей капли для измерения плотности и поверхностного натяжения расплавов

2.2.1. Основы метода лежащей капли

2.2.2. Конструкция экспериментальной установки для исследований плотности и поверхностного натяжения расплавов

2.2.3. Методика проведения эксперимента и обработка его результатов

2.3. Метод дифференциального термического анализа

2.4. Общий вероятностный анализ ошибок методов крутильных колебаний и лежащей капли

2.5. Подготовка образцов и их аттестация 78 Выводы по материалам второй главы

Глава 3. Структурные переходы и временная нестабильность в чистых жидких металлах

3.1. Структурные переходы в жидких железе, меди и кобальте вблизи температуры плавления

3.2. Гистерезис вязкости жидких меди и кобальта

3.3. Об аномальном поведении вязкости жидкого кобальта в области структурного перехода 95 Выводы по материалам третьей главы

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурные переходы и временная нестабильность в жидких Cu, Co, Fe и расплавах на основе Fe»

Актуальность работы. Вопрос о возможности, природе и механизме структурных перестроек в металлических расплавах, особенно железе, при изменении температуры является одним из наиболее дискуссионных на протяжении последних сорока лет, начиная с первых работ Самарина и Вертмана. Подробно вопрос о структурных переходах в жидких металлах с точки зрения теории жидкого состояния и надежности экспериментальных данных обсуждался в ряде монографий и обзоров. Этой тематике были посвящены дискуссии на страницах журналов. Однако однозначного ответа до сих пор получено не было.

В связи со сложностью и неоднозначностью в интерпретации экспериментальных данных дифракционных методов применительно к жидкостям обычно для исследований структурных превращений в них используются структурно-чувствительные свойства (вязкость, плотность, поверхностное натяжение и др.). На политермах свойств термические структурные перестройки в жидких металлах проявляются в виде особых точек (скачков, изломов, перегибов и т.п.). Ранее такие превращения были обнаружены в жидких железе, алюминии и других жидких металлах. Однако, данные разных авторов весьма противоречивы как по температурам превращений, так и по характеру их проявлений, а в некоторых работах какие-либо аномалии на политермах свойств этих расплавов вообще не обнаружены. Поэтому для решения этого вопроса необходимо проведение специальных исследований с использованием современных прецизионных методик.

Также известно, что в металлических расплавах при определенных условиях возможно существование неравновесных состояний. При этом процессы установления термодинамического равновесия протекают значительно медленнее скорости изменения внешних условий, могут иметь немонотонный колебательный характер и исчисляться часами. Это отражается в сложном процессе эволюции структурных параметров жидкостей и, как следствие, в нестабильности абсолютных значений их структурно-чувствительных свойств. В теоретической модели релаксационных процессов в жидкой фазе, предложенной Васиным с соавторами, в рамках представления локальных состояний жидкости Паташинского, предположено, что причиной осциллирующего характера релаксации могут являться шумоиндуцированные переходы в системе с несколькими структурными состояниями жидкости вблизи критических температур, к которым относятся фазовый переход кристалл - жидкость и структурные превращения в жидком состоянии. Однако экспериментальные исследования временных процессов в области структурных переходов в металлических жидкостях до настоящего времени не проводились.

Цель работы. Исследование структурных переходов и временной нестабильности в жидких меди, кобальте, железе, расплавах железа с малыми добавками и стеклообразующих расплавах системы Ге-В-81-С.

В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Исследование структурных превращений в жидких меди, кобальте, железе и стеклообразующих расплавах системы ^е-Б-Л-С;

2. Изучение влияния температуры на временные зависимости вязкости и релаксационные процессы в жидких металлах;

3. Исследование влияния малых добавок (1 ат.%) М, Си, V, Мо, Сг, Со и С на температуры структурных превращений в жидком железе.

Научная новизна. Впервые обнаружены структурные превращения в жидких меди и кобальте вблизи 1170°С и 1595°С соответственно. Впервые в жидком железе обнаружено два структурных превращения вблизи 1590°С и 1645°С. Показано значительное увеличение степени нестабильности вязкости жидких меди и кобальта в области структурных переходов в них. Обнаружены структурные превращения в расплавах ¥е7з,зВм^12,зСо,4 и ■Рб79,9-В 12^14,^2,3 вблизи 1400°С и 1480°С соответственно.

Впервые экспериментально показана возможность осциллирующих изменений вязкости жидкого кобальта с течением времени в области структурного перехода в нем. С помощью спектрально-корреляционного анализа показано наличие в этих колебаниях низкочастотных гармоник с периодом около 40 минут.

Исследовано влияние малых добавок (1 ат.%) N1, Си, V, Мо, Сг, Со и С на температуры структурных превращений в жидком железе. Показано, что никель и медь практически не влияют на температуру первого перехода и на 25 и 45 °С увеличивают температуру второго. Ванадий, хром и молибден завышают температуры структурных переходов на 45, 50 и 30°С соответственно. Кобальт практически не влияет на них, а углерод снижает на 40°С.

Практическая ценность работы. Полученные температурные зависимости свойств жидких металлов и сплавов могут быть использованы в качестве справочных данных, а температуры структурных превращений в них при разработке технологии получения металлических материалов с улучшенными служебными свойствами. Данные по температурным зависимостям свойств стеклообразующих расплавов системы Ре-В-81-С и значения их переохлаждения могут быть использованы при выборе оптимальных режимов получения аморфных лент.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ проводимых в лаборатории аморфных сплавов ФТИ УрО РАН, проекта А0015 Федеральной целевой программы «Интеграция» и гранта конкурсного центра по фундаментальным проблемам металлургии.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 Уральской Школе металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического материаловедения перспективных материалов», Ижевск, 23-27 февраля 1998 г.; Международной научно-практической конференции «Генная инженерия в сплавах», Самара, 18-21 мая 1998 г.; 9 Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 15-18 сентября 1998 г.; Международной конференции «Термодинамика и химическое строение расплавов и стекол», Санкт-Петербург, 7-9 сентября 1999 г.; Международной школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах», Барнаул, 23-30 июня 2000 г.; Второй школе -семинаре металловедов - молодых ученых, Екатеринбург, 2-3 ноября 2000 г.

Достоверность результатов. Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием апробированных и контролируемых методик, статистико-вероятностной обработкой данных, воспроизводимостью результатов экспериментов и сравнением с имеющимися литературными данными по свойствам жидких металлов и сплавов.

Личный вклад автора диссертации. Диссертация является законченной научной работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Автором диссертации собрана установка и отработана методика измерений плотности и поверхностного натяжения расплавов. Автор принимал участие в модернизации измерительного тракта вискозиметра и разработке программы по расчету вязкости. Автором лично исследованы температурные зависимости вязкости жидких меди, кобальта, железа, расплавов железа с малыми добавками и расплавов системы ¥е-В-81-С и проведена статистико-вероятностная обработка экспериментальных данных. Совместно с соавторами исследованы временные зависимости вязкости жидкого кобальта при разных температурах, проведен спектрально-корреляционный анализ полученных результатов и проведены исследования температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения расплавов системы а так же их дифференциально-термический анализ. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Объем работы. Диссертационная работа содержит 146 страниц машинописного текста. Состоит из введения, пяти глав с 54 рисунками и 15 таблицами, общих выводов, списка цитируемой литературы из 174 наименований.

Похожие диссертационные работы по специальности «Физическая химия», 02.00.04 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Бельтюков, Анатолий Леонидович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Впервые обнаружены структурные превращения в жидких меди и кобальте вблизи 1170°С и 1595°С соответственно и два структурных превращения в жидком железе вблизи 1590°С и 1645°С. Структурные перестройки проявляются в виде резких изменений вязкости и энергии активации вязкого течения при указанных температурах.

2. Исследовано влияние малых добавок (1 ат. %) М, Си, V, Мо, Сг, Со и С на температуры структурных превращений в жидком железе. Показано, что никель и медь практически не влияют на температуру первого перехода и на 25 и 45°С увеличивают температуру второго перехода. Ванадий, хром и молибден повышают температуры структурных переходов на 45, 50 и 30°С соответственно. Кобальт практически не влияет на них, а углерод снижает на 40°С.

3. Впервые экспериментально показана возможность осциллирующих изменений временной зависимости вязкости жидкого кобальта в изотермических условиях в области структурного превращения в нем. С помощью спектрально-корреляционного анализа показано наличие в этих колебаниях низкочастотных гармоник с периодом около 40 минут. Предположено, что это явление обусловлено релаксационными процессами в жидком металле в области структурного перехода и может классифицироваться как шумоиндуцированный фазовый переход.

4. Обнаружено значительное увеличение степени нестабильности вязкости жидких меди и кобальта в области структурных переходов в них.

5. Изучено влияние максимальной температуры нагрева расплавов меди и кобальта на характер политерм их вязкости. Показано, что нагрев расплавов выше температур структурных превращений в них приводит к гистерезису вязкости при последующем охлаждении, который обусловлен склонностью к переохлаждению их высокотемпературного состояния.

6. Исследованы температурные зависимости кинематической вязкости, плотности и поверхностного натяжения расплавов Ре?згзВ 14$1п,зСо,4 и Ре79,яВ п,9$Ч,9С2,з в интервале от температуры ликвидус до 1650°С. Обнаружены аномалии в виде резких увеличений поверхностного натяжения, изломов политерм плотности и вязкости этих расплавов вблизи 1400°С и 1480°С соответственно и гистерезис свойств при нагреве и последующем охлаждении, которые обусловлены структурными превращениями в них вблизи указанных температур и сохранением высокотемпературной структуры при охлаждении.

133

7. Исследовано влияние температуры перегрева стеклообразующего расплава Fe79,9В12,^4,9С2,з на его переохлаждение. Обнаружено значительное уменьшение переохлаждения при перегреве выше 1480°С, связанное со структурным превращением в нем. Показано, что наибольшей способностью к переохлаждению обладает расплав после его нагрева до 1450-1480°С.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бельтюков, Анатолий Леонидович, 2001 год

1. Ватолин H.A., Пастухов Э.А. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов. - М.: Наука. - 1980. - 190 с. с ил.

2. Баум Б. А. Металлические жидкости. М.: Наука. - 1979. - 120 с. с ил.

3. Бернал Дж.Д. Геометрический подход к структуре жидкостей // Успехи химии. 1961. -Т.30. -№10.-С.1312-1323.

4. Bernai J.D. The structure of liquids // Proc. Roy. Soc. 1964. - A280. - P. 299-322.

5. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. Л.: Наука. - 1972,- 424 с. с ил.

6. Данилов В.И. Строение и кристаллизация жидкости. Киев: из-во АН УССР. - 1956. -566 с. с ил.

7. Фишер И.З. Статистическая теория жидкостей. М.: Физматиздат. - 1961. - 192 с. с ил.

8. Eyring H. // Chem. Eduction. 1963. - №40. - P. 562-569.

9. Попель С.И., Спиридонов M.A., Маслянников Ю.И. Строение жидких металлов // Сталь. 1981,- №9,- С. 17 - 21.

10. Попель С.И., Спиридонов М.А., Жукова Л. А. Атомное упорядочение в расплавленных и аморфных металлах по данным электронографии. Екатеринбург: УГТУ. - 1997. -384 с. с ил.

11. Жукова Л.А., Спиридонов М.А., Попель С.И. Атомное упорядочение в расплавленных металлах // Сталь. 1996,- №6,- С. 10 - 15.

12. Белащенко Д.К. Структура жидких и аморфных металлов. М.: Металлургия. - 1985.— 193 с. с ил.

13. Белащенко Д.К. Угловые корреляции атомов в простых жидкостях и квазикристаллические модели жидкого металла // Сталь. -1981. -№11,- С.23-27.

14. Ватолин H.A., Полухин В.А. Структурные изменения в металлических расплавах // Изв. вузов, Черная металлургия. 1985. - №7. - С. 1-8.

15. Полухин В.А., Ухов В.Ф., Дзугутов М.М. Компьютерное моделирование динамики и структуры жидких металлов. -М.: Наука. 1981.-323 с. с ил.

16. Майборода В.П. Изменение фаз плавления меди и новая модель жидкости // Физика и химия обработки материалов. 1996. - №3. - С. 30-35.

17. Майборода В.П. Строение металлических расплавов // Расплавы. 1996. - №2. - С. 8289.

18. Ивахненко И.С. Особенности строения металлических расплавов // Изв. вузов, Черная металлургия. 1985,- №5,- С. 17-23.

19. Ивахненко И.С., Кашин В.И. Современные представления о структуре металлических расплавов и о роли жидкого состояния в формировании первичной структуры литого металла // Сталь. 1981. - №9. - С.27-30.

20. Дудчак Я.И. Рентгенография жидких металлов. Львов: Вища школа,- 1977. - 162 с. с ил.

21. Баум Б.А., Клименков Е.А., Тягунов Г.В., Цепелев B.C., Михайлов В.Б. Строение жидких сплавов и технология их получения // Сталь. -1981.-№11.- С.23-27.

22. Баум Б.А., Тягунов Г.В., Барышев Е.Е., Цепелев B.C. Состояние многокомпонентной металлической системы после фазового перехода кристалл-жидкость // Расплавы. -1999.-№5.-С.32-43.

23. Клименков Е.А., Баум Б.А. О возможности скачкообразных изменений структуры расплавов железа//Изв. вузов, Черная металлургия. 1985. - №5. - С. 12-17.

24. Архаров В.И., Новохатский И.А О квазиполикристаллической модели расплавов. В сб.: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. Свердловск. - 1974. -С.52-54.

25. Ладьянов В.И., Новохатский И.А., Логунов C.B. Оценка времени жизни кластеров в жидких металлах // Металлы. 1995,- №2,- С. 13-21.

26. Новохатский И.А., Ладьянов В.И., Усатюк И.И., Каверин Ю.Ф. О методе расчета относительных долей структурных составляющих жидких металлов // Изв. АН СССР, Металлы. 1985,- №2,- С. 62.

27. Ашкрофт Н. Жидкие металлы // УФН. 1970. - Т. 101. - №3. - С.519-535.

28. Филиппов Е.С. Теория жидких металлов, основанная на представлении сфер взаимодействия //Изв. вузов Черная металлургия. 1974. - №7. - С. 101-110.

29. Филиппов Е.С. Доказательства кластерообразования и переходов в жидких металлах и сплавах // Изв. вузов Черная металлургия. 1985. - №7. - С.26-30.

30. Филиппов Е.С. Теория жидких сплавов, основанная на представлении сферических группировок //Изв. вузов Черная металлургия. 1974. - №11. - С. 126-131.

31. Лесник А.Г. Жидкость как система с динамическим локальным порядком // Металлофизика. 1984. - Т.6. - №1. - С. 64-69.33,34,3538.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.