close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

199753

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ГУЛОВ БОБОМУРОД НУРОВИЧ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСОБОЧИСТОГО
АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ С КРЕМНИЕМ, МЕДЬЮ
И НЕКОТОРЫМИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Специальность: 01.04.07-физика конденсированного состояния
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Душанбе – 2015
1
Работа выполнена на кафедре общей физики Таджикского национального
университета.
Научные руководители:
Низомов Зиѐвуддин,кандидат физико-математических наук, доцент;
Саидов Рахимджон Хамрокулович, кандидат
технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Юсупов Шаъбони Тагоевич, доктор технических наук, и.о. профессора кафедры химии и
биохимии Дангаринского государственного
университета;
Абдурасулов Анвар Абдурасулович, кандидат
физико-математических наук, и.о. профессора
кафедры физики Таджикского технического
университета имени академика М.С. Осими
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Казанский национальный
исследовательский технический университет
имени А.Н. Туполева – КАИ»
Защита состоится «____» __________ 2015 года в 1000 часов на заседании
объединенного диссертационного совета ДМ 737.004.10 по защите докторских
и кандидатских диссертаций при Таджикском национальном университете по
адресу: 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17,
факс (992-372) 21-77-11, Зал заседаний Ученого совета ТНУ.
Отзывы направлять по адресу: 734025, г. Душанбе, проспект Рудаки, 17,
ТНУ, диссертационный совет ДМ 737.004.10, E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и на сайте
Таджикского национального университета (www.tnu.tj).
Автореферат разослан « _____» __________ 2015 г.
Ученый секретарь объединѐнного
диссертационного совета ДМ 737.004.10,
кандидат физ.-мат. наук, СНС
2
Табаров С.Х.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Теплофизические свойства металлов являются важнейшими физическими характеристиками, определяющими закономерности
поведения их при различных условиях эксплуатации. Основной интерес к легированным сплавам, прежде всего, обусловлен возможностью значительного
улучшения, а иногда принципиального изменения физико-химических свойств
известных материалов. Теплофизические свойства легированных алюминиевых
сплавов начали интенсивно исследовать в последние годы. Спектр возможного
их использования практически неограничен. Однако до настоящего времени не
разработана теория, достаточно точно описывающая возможные изменения
теплофизических свойств при легировании сплавов. Таким образом, экспериментальное исследование теплофизических свойств легированных сплавов
представляет значительный научный и прикладной интерес. Решение этой задачи может способствовать созданию материалов с заранее заданными свойствами.
Настоящая работа посвящена исследованию теплофизических свойств
алюминия марки A5N и его легированных сплавов, и имеет целью частичного
восполнения пробела в исследовании температурной зависимости теплофизических свойств и термодинамических функций сплавов алюминия.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Государственными
программами «Стратегия Республики Таджикистан в области науки и технологии на 2007-2015гг.» и «Внедрение результатов научно-технических достижений
в промышленное производство в Республике Таджикистан на 2010-2015гг.».
Объекты исследования. Объектами исследования являются алюминий
марок A5N (99,999%) и А7 (99,7%), кремний марки Кр00 (99,0%), медь марки
М00 (99,99%), сплавы АК1 и АК1М2 на основе алюминия марки A5N и сплав
АК1М2, легированный некоторыми редкоземельными металлами (РЗМ) (скандием, иттрием, празеодимом и неодимом). Выбор объектов исследования обусловлен перспективой применения данных сплавов в различных областях науки
3
и техники. Все сплавы были получены в лаборатории коррозионностойких материалов Института химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан и в
Государственном научно-экспериментальном и производственном учреждении
Академии наук Республики Таджикистан.
Цель работы заключалась в установлении закономерностей поведения
теплофизических свойств алюминия марки A5N, сплава АК1 и сплава АК1М2
на основе особочистого алюминия марки A5N, легированного скандием, иттрием, празеодимом и неодимом в широком интервале температур (293÷873 К).
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Усовершенствование метода охлаждения для исследования теплофизических свойств металлов и сплавов.
2. Установление значений коэффициента теплоотдачи алюминия марки
A5N, цинка, меди, сплавов АК1 и АК1М2 в интервале температур 293÷873 К.
3. Экспериментальное исследование теплоемкости сплавов АК1 и АК1М2,
легированных РЗМ в интервале температур 293÷873 К.
4. Определение термодинамических функций (энтальпия, энтропия и энергия Гиббса) исследованных систем и их зависимость от температуры.
Научная новизна. На основе проведенных систематических исследований
теплофизических свойств алюминия марки A5N и его сплавов в широком интервале температур:
- усовершенствована экспериментальная установка по методу охлаждения,
позволяющая выполнять измерение теплоемкости в широком интервале температур с высокой точностью и компьютерной фиксацией результатов измерений
и обработкой;
- впервые определены коэффициенты теплоотдачи алюминия марки A5N,
меди, цинка и сплавов АК1 и АК1М2;
- получены экспериментальные данные по теплоемкости сплавов АК1 и
АК1М2, легированных РЗМ в интервале температур 293 ÷ 873 К.
4
- установлена зависимость энтальпии, энтропии и энергии Гиббса для всех
исследованных металлов и сплавов от температуры;
- выявлено влияние концентрации Sc, Y, Pr, Nd на теплофизические свойства сплава АК1М2.
Практическая значимость работы:
- полученные экспериментальные данные по теплоемкости алюминия и его
сплавов способствуют развитию микроскопической теории теплоемкости твердых тел;
-экспериментально полученные данные по температурной зависимости коэффициента теплоотдачи, теплоемкости и термодинамических функций сплавов системы АК1М2 - Sc (Y, Pr, Nd) могут быть использованы в качестве справочного материала по теплофизическим параметрам указанных систем;
- созданная экспериментальная установка для измерения теплоемкости
твердых тел (Малый патент РТ № TJ 510) используется в научных и учебных
процессах на физическом факультете Таджикского национального университета и в Таджикском техническом университете им. акад. М.С. Осими.
Основные положения, выносимые на защиту:
- обоснование правомочности применения метода охлаждения для исследования теплоемкости твердых тел в широком интервале температур в онлайнрежиме автоматической компьютерной обработки эксперимента;
- выявленные зависимости коэффициента теплоотдачи алюминия, меди,
цинка, сплавов АК1 и АК1М2 от температуры;
- результаты экспериментального исследования теплоемкости сплавов АК1
и АК1М2, легированных скандием, иттрием, празеодимом и неодимом в интервале температур 293 ÷ 873 К;
- температурные зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса для
исследованных систем.
Достоверность и обоснованность научных результатов диссертации подтверждается применением современных физических методов исследования, вы5
сокой точностью эксперимента и теоретической обоснованностью результатов
работы, а также согласованностью полученных результатов с данными других
авторов.
Личный вклад автора. Личное участие автора в работе, заключалось в
постановке задачи исследований, в непосредственном проведении экспериментов, обработке, анализе и интерпретации полученных результатов.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано 18
научных работ, из них 14 статей, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 статей в материалах республиканских и международных
конференций. Получено 3 малых патента Республики Таджикистан.
Основные результаты работы докладывались на: VI Междунар. науч. конф.
«Кинетика и механизм кристаллизации, самоорганизация при фазообразовании» (Иваново, 2010); Междунар. конф. «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики» (Душанбе, 2010); Респ. науч.-теорет. конф.
«Молодежь и современная наука» (Душанбе, 2010, 2011); IV Междунар. науч.прак. конф. «Эффективность сотовых конструкций в изделиях авиационнокосмической техники» (г. Днепропетровск, Украина, 2011); 2 International
Conferences on Materials Heat Treatment - ICMH-2011 (Isfahan, Iran, 2011); Междунар. конф. «Современные вопросы молекулярной спектроскопии конденсированных сред» (Душанбе, 2011); V и VIII Междунар. науч.-прак. конф. «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ» (Душанбе,
2011, 2014); Науч. конф. «Актуальные проблемы современной науки» посв. 70летию Победы в Великой Отечественной Войне (Душанбе, 2015).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы (104 наименований) и приложения. Содержание работы изложено на 110 страницах компьютерного текста, включая 13 таблиц и 57 рисунков.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи работы, отражена научная новизна и практическая
значимость работы и перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор литературных данных по определению
теплофизических свойств исследуемых веществ. Подчеркнута слабая изученность теплофизических параметров легированных алюминиевых сплавов. Сделан вывод о необходимости экспериментального исследования теплофизических свойств алюминия марки A5N и его сплавов в широком диапазоне температур.
Приведены результаты обработки литературных экспериментальных данных по температурной зависимости теплофизических свойств скандия, иттрия,
празеодима и неодима с помощью программы Sigma Plot 10. Получены следующие уравнения (в скобках указаны коэффициенты регрессии):
(R=0,9997);
(R=0,9999);
(R=0,9993);
(R=0,9988),
которые дали возможность установить уравнение температурной зависимости
энтальпии, энтропии и энергия Гиббса для этих металлов.
В результате обработки литературных данных нами получены следующие
уравнения для температурной зависимости удельной теплоѐмкости меди, особочистого алюминия (99,995%) и кремния в интервале температур 293÷873 К и
цинка в интервале температур 293÷693 К:
;
;
;
.
7
В модели Дебая кристаллическая решѐтка рассматривается как связанная
система взаимодействующих атомов. Колебания такой системы - результат
наложения многих гармонических колебаний с различными частотами. Молярная теплоѐмкость по теории Дебая определяется соотношением:
( ) ∫
⁄
где
ний, а
,
,
- верхняя граница возможных частот колеба-
-температура Дебая. Разность
и
дает термодинамическая фор-
, где  - коэффициент линейного расширения,
мула:
- изотермическая сжимаемость, M - молярная масса,  - плотность.
В качестве примера в табл. 1 приведены значения удельной теплоемкости
алюминия (
= 386 К) в зависимости от температуры, вычисленные нами по
теории Дебая значения
ментальные значения (
, электронная теплоемкость
,
и экспери-
).
Таблица 1 - Сравнение экспериментальных значений
теплоемкости алюминия с теорией
T, К
С = CP - CV, CV + Ce+ С
CV,
Ce,
Дж/(кг К) Дж/(кг К) Дж/(кг К) Дж/(кг К)
CP эксп., CP эксп.- CP,
Дж/(кг К) Дж/(кг К)
857,78
914,71
45,03
157,31
1117,05
1186
68,95
772,00
912,55
40,53
134,04
1087,12
1124
36,88
643,33
907,58
33,77
104,54
1045,89
1051
5,11
593,85
904,77
31,18
94,39
1030,34
1028
-2,34
514,67
898,52
27,02
79,09
1004,63
994
-10,63
482,50
895,09
25,33
73,18
993,60
981
-12,60
428,89
887,63
22,52
63,60
973,75
959
-14,75
386,00
879,40
20,26
56,16
955,82
941
-14,82
321,67
860,75
16,89
45,41
919,73
913
-6,73
293,93
850,40
15,43
40,90
906,73
900
-6,73
8
Приведено сравнение экспериментальных и теоретических значений теплоемкости. При расчетах
зависимость , ,  от температуры не учитыва-
лась. Как видно из таблицы, определяемая из эксперимента величина
чает в себя не только энергию колебаний решетки
вклю-
(по Дебаю), но также
энергию термического возбуждения коллективизированных электронов
энергию термического расширения
,
. Сравнение показывает, что с увеличе-
нием температуры отклонение от теоретических значений увеличивается. Теория предсказывает линейную зависимость теплоемкости от температуры. Однако экспериментальные результаты показывают, что зависимость теплоемкости
от температуры описывается кубическим уравнением. Поэтому в теории теплоемкости твердых тел необходимо учитывать ангармоничность колебаний и
температурную зависимость температуры Дебая.
Вторая глава включает в себя обзор основных экспериментальных методов измерения теплоемкости твердого тела. Отмечены преимущества и недостатки отдельных методик. Сделан вывод о необходимости развития метода
«охлаждения» с использованием компьютерной технологии для регистрации и
обработки результатов, обладающего рядом преимуществ по сравнению с методом периодического нагрева.
Описана экспериментальная установка для измерения теплоемкости твердых тел методом охлаждения. Измерение теплоемкости проводилось на установке, представленной на рис. 1.
Электропечь 1 смонтирована на скамье, по которой она может перемещаться вправо и влево. Образец 2 (тоже может перемещаться) представляет собой цилиндр высотой 30 мм и диаметром 16 мм с высверленным каналом с одного конца, в который вставлена термопара 3. Концы термопары подведены к
измерителю Digital Multimeter UT71B 4, который позволял прямую фиксацию
результатов измерений на компьютере 7 в виде таблицы. При этом, точность
измерения температуры составляла ± 0,10С.
9
Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 - электропечь;
2 - образец; 3 - термопара; 4 - Digital Multimeter UT71B; 5 - ЛАТР;
6 - Digital Multimeter DI9208; 7 - компьютер.
Для измерения удельной теплоемкости металлов в широкой области
температур использовался закон охлаждения Ньютона - Рихмана: всякое тело,
имеющее температуру выше окружающей среды, будет охлаждаться, причем
скорость охлаждения зависит от величины теплоемкости тела
и коэффици-
ента теплоотдачи α. Количество теплоты, теряемое предварительно нагретым телом массы т при его охлаждении на dT градусов, будет
.
Потеря энергии происходит через поверхность тела. Следовательно, можно
считать, что количество теплоты, теряемое через поверхность тела за время d,
будет пропорционально времени, площади поверхности S и разности температуры тела Т и окружающей среды Т0:
. Если тело выделя-
ет тепло так, что температура всех его точек изменяется одинаково, то будет
справедливо равенство:
.
(1)
Передача тепла от более нагретого тела менее нагретому - процесс, стремящийся к установлению термодинамического равновесия в системе, состоящей из огромного числа частиц, то есть это релаксационный процесс. А релаксационный процесс можно описать во времени экспонентой. В нашем случае
нагретое тело передает свое тепло окружающей среде (т.е. телу с бесконечно
10
большой теплоѐмкостью). Поэтому температуру окружающей среды можно
считать постоянной (Т0). Тогда закон изменения температуры тела от времени
⁄
можно записать в виде
тела и окружающей среды;
ющей среды при
,
, где
- разность температур нагретого
- разность температур нагретого тела и окружа-
- постоянная охлаждения, численно равная времени,
в течение которого разность температур между нагретым телом и окружающей
средой уменьшается в е раз. Полагая, что в малом интервале температур значения С,  и Т не зависят от координат точек поверхности образцов, нагретых до
одинаковой температуры и при постоянной температуре окружающей среды,
напишем соотношение для двух образцов:
( )
( ) .
При использовании этой формулы для двух образцов, имеющих одинаковые размеры S1 = S2 и состояние поверхностей, предполагается равенство их
коэффициентов теплоотдачи 1 = 2.Следовательно, зная массы m1, m2 и скорости охлаждения образцов, теплоемкость С1, можно вычислить C2.
Исследована температурная зависимость коэффициента теплоотдачи меди,
алюминия и цинка. Прежде всего, нам необходимо было выяснить, в какой степени оправдано допущение 1 = 2. Для этого исследовали процесс охлаждения
меди, алюминия и цинка, для которых известны зависимости теплоѐмкости от
температуры. Экспериментально полученные временные зависимости температуры образцов с достаточно хорошей точностью описываются уравнением вида:
, где a, b, p и k-постоянные величины для данного
образца. Принимая
- температура окружающей среды,
,
- разность температур нагретого тела и окружающей среды в момент начала измерений,
и
и
- постоянные охлаждения
для первого и второго релаксационных процессов, получаем:
⁄
⁄
Дифференцируя (2), получим уравнение для скорости охлаждения:
11
(2)
⁄
(
⁄
).
(3)
На рис. 2 и 3 в качестве примера приведены зависимости температуры и
скорости охлаждения от времени охлаждения для меди, алюминия марок А7 и
A5N, сплава АК1М2. На рис.4 и 5 показаны зависимости температуры алюминия марки A5N и скорости его охлаждения от времени в отдельности для первого и второго релаксационных процессов.
Рис. 2. Зависимость температуры ме- Рис. 3. Зависимость скорости охлаждеди, алюминия марок А7, A5N и спла- ния от времени для алюминия марок
ва AK1M2 от времени охлаждения
A5N и A7, Cu сплавов AK1, и AK1M2
Рис. 4. Зависимость температуры
алюминия марки A5N от времени
охлаждения для первого (1) и второго
(2) релаксационных процессов
Рис. 5. Зависимость скорости охлаждения алюминия марки A5N от времени
для первого (1) и второго (2) релаксационных процессов
Следует отметить, что, используя экспериментальные значения скорости
12
охлаждения, из уравнения (1), можно определить только отношение коэффициента теплоотдачи к теплоемкости образца:
⁄
.
Известно, что по коэффициенту теплоотдачи можно вычислить теплоѐмкость
или по известным значениям теплоѐмкости можно определить коэффициент
теплоотдачи. На рис. 6 приведены графики зависимости отношения коэффициента теплоотдачи к теплоѐмкости алюминия разных марок от температуры.
Используя данные по теплоѐмкости и экспериментальные величины скорости охлаждения, была вычислена зависимость коэффициента теплоотдачи от
температуры следующего вида:
|
⁄
|
(4)
.
На рис.7 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи меди, алюминия марки A5N и цинка от температуры Т.
⁄
Рис. 6. Зависимость
2
(кг/(м ∙с)) для алюминия марок A5N,
А8 и А7 от температуры.
Рис. 7. Зависимость коэффициента
теплоотдачи меди, алюминия марки
A5N и цинка от температуры.
Для температурной зависимости коэффициента теплоотдачи в исследованном интервале температур получены следующие уравнения:
|
|
;
13
|
|
|
|
;
.
На основе проведѐнных исследований впервые рассчитано температурная
зависимость коэффициента теплоотдачи для чистых металлов. Как видно из
рис. 7, величины коэффициентов теплоотдачи для меди, алюминия и цинка отличаются. Поэтому для определения теплоѐмкости легированных сплавов для
каждой группы нужно определить коэффициент теплоотдачи для исходного
сплава. Для этого, используя правило Неймана - Коппа, согласно которому молярная теплоемкость
, где х1 и х2- массовые доли компонентов,
вычисляется теплоѐмкость сплавов, а по формуле (4) величина коэффициента
теплоотдачи сплава
В третьей главе приведены результаты исследования температурной зависимости теплофизических свойств алюминия марок A5N и А7, сплавов АК1
и АК1М2. В общедоступной технической литературе нам не удалось найти достаточно сведений о теплоемкости алюминия марки A5N в широком интервале
температур, поэтому нами за его теплоемкость принята теплоемкость особочистого алюминия (99,995%). Исследован процесс охлаждения алюминия марок
A5N и А7 в интервале температур 293÷873 К.
Получены следующие уравнения для зависимости температуры образцов
от времени охлаждения:
⁄
для алюминия марки A5N
⁄
⁄
для алюминия марки А7
⁄
;
.
Для расчѐта энтальпии, энтропии и энергии Гиббса использовали интегралы от молярной теплоемкости:
∫
∫
и
,
.
Получены уравнения для температурных зависимостей энтальпии, энтропии и энергии Гиббса для алюминия марки А5N. Приведены результаты исследования температурной зависимости теплофизических свойств сплава АК1. За14
висимость температуры сплава АК1 от времени охлаждения в интервале температур 293 ÷ 873 К с достаточно приемлемой точностью описывается уравнением вида
⁄
⁄
.
По формуле (3) нами была вычислена скорость охлаждения образца. Используя данные теплоемкости алюминия марки A5N и кремния по правилу
Неймана - Коппа, вычислена величина удельной теплоемкости сплава АК1. Получено следующее уравнение:
.
Далее, используя значения удельной теплоемкости и скорости охлаждения, по формуле (3) был вычислен коэффициент теплоотдачи для сплава АК1.
Получено следующее уравнение для температурной зависимости коэффициента
теплоотдачи:
|
|
.
Полученные экспериментальные результаты для коэффициента теплоотдачи сплава АК1 показывают, что даже при малых добавках второго компонента к металлу коэффициент теплоотдачи нельзя считать постоянным.
Получены уравнения для температурных зависимостей энтальпии, энтропии и энергии Гиббса для сплава АК1. Исследована температурная зависимость
теплофизических свойств сплава AК1М2. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее двух - трех легирующих элементов, которые вводятся в алюминий, главным образом, для повышения механической прочности
и коррозионностойкости. Для определения термодинамических свойств сплава
AК1М2 нами исследованы теплофизические свойства сплава марки AК1М2 в
интервале температур 293÷873 К. Экспериментально полученная зависимость
температуры образца от времени охлаждения описывается уравнением вида:
⁄
⁄
.
Дифференцируя по τ, получаем скорость охлаждения образца:
15
⁄
⁄
⁄
.
Удельную теплоемкость сплава AК1М2 вычисляли по правилу НейманаКоппа. Уравнение температурной зависимости удельной теплоемкости сплава
АК1М2 имеет вид
.
Используя вычисленные данные по теплоемкости, и экспериментально полученные величины скорости охлаждения, получили следующее уравнение для
температурной зависимости коэффициента теплоотдачи сплава АК1М2:
|
|
.
Получены также уравнения для температурных зависимостей энтальпии,
энтропии и энергии Гиббса для сплава AК1М2. Приведены результаты исследования процесса охлаждения и температурной зависимости теплоемкости
сплава АК1М2, легированного РЗМ. Экспериментально полученные временные
зависимости температуры образцов с достаточно хорошей точностью описываются уравнением вида (2).По формуле (3) нами были вычислены скорости
охлаждения образцов. В таблице 2 приведены значения коэффициентов в уравнениях (2) и (3) для всех исследованных систем.
Для легированных сплавов АК1М2 использовали коэффициент теплоотдачи исходного сплава АК1М2, считая, что он не зависит от концентрации легирующего компонента. Далее, нами вычислена величина удельной теплоѐмкости
легированных сплавов по формуле
|
|
⁄
.
На рис. 8 в качестве примера приведена температурная зависимость удельной теплоемкости сплава АК1М2, легированного скандием.
Концентрационная зависимость теплоемкости сплава АК1М2, легированного скандием, иттрием, празеодимом и неодимом характеризуется по-разному.
Так, для сплава легированного иттрием и неодимом характерен рост значений
теплоемкости при концентрации более 0,05 мас.% и температуре 400К.
16
Таблица 2.Значения коэффициентов в уравнениях (2) и (3) ( -Т0,
-Т0,
) для исследованных металлов и сплавов
,
Сплав
Al (A7)
Al(A5N)
Cu
AK1
AK1M2 (1)
(1)+Nd 0,005
(1)+Nd 0,05
(1)+Nd 0,1
(1)+Nd 0,5
(1)+Pr 0,005
(1)+Pr 0,05
(1)+Pr 0,1
(1)+Pr 0,5
(1)+Sc 0,005
(1)+Sc 0,05
(1)+Sc 0,1
(1)+Sc 0,5
(1)+Y 0,005
(1)+Y 0,05
(1)+Y 0,1
(1)+Y 0,5
,
,
K
523,3
411,8
398,1
360,7
420,4
470,1
448,1
416,5
352,4
274,2
428,8
302,7
457,5
246,1
279,0
307,6
443,2
307,1
406,6
412,2
512,6
/
,
K
417
526
302
625
500
476
500
500
555
588
500
588
500
769
666
666
555
588
526
526
454
90,7
208,4
199,6
250,0
211,8
182,6
221,6
265,5
338,0
370,6
205,0
358,2
232,0
400,6
361,0
331,1
180,2
322,0
244,7
269,6
112,6
110
154
88
222
189
178
196
238
238
294
217
278
204
312
303
294
208
263
222
217
161
,
/
K/c
K/c
1,25
0,78
1,32
0,58
0,84
0,99
0,90
0,83
0,63
0,47
0,86
0,51
0,91
0,32
0,25
0,46
0,80
0,52
0,77
0,78
1,13
0,82
1,35
2,27
1,13
1,12
1,02
1,13
1,11
1,42
1,26
0,94
1,29
1,14
1,28
1,19
1,13
0,87
1,22
1,10
0,70
0,70
,
292,6
295,2
302,7
294,7
286,4
291,0
286,4
289,3
286,7
290,2
293,1
285,5
288,1
284,2
286,4
288,0
292,0
281,5
286,2
285,7
292,3
Для сплава легированного скандием и празеодимом наблюдается повышение
значений теплоемкости во всем интервале концентраций. Такое влияние можно, по-видимому, объяснить растворимостью легирующего компонента в исходном сплаве и другими факторами.
Значения коэффициентов в уравнении температурной зависимости теплоемкости для исследованных систем приведены в таблице 3.
Нужно отметить, что все полученные уравнения применимы только в исследованном интервале температур 293 ÷ 873 К.
17
Таблица 3. Значения коэффициентов в уравнении
Металл, сплав
Al(A5N)
Cu
Si
Sc
Y
Pr
Nd
AK1
AK1M2 (1)
(1)+Nd 0,005
(1)+Nd 0,05
(1)+Nd 0,1
(1)+Nd 0,5
(1)+Pr 0,005
(1)+Pr 0,05
(1)+Pr 0,1
(1)+Pr 0,5
(1)+Sc 0,005
(1)+Sc 0,05
(1)+Sc 0,1
(1)+Sc 0,5
(1)+Y 0,005
(1)+Y 0,05
(1)+Y 0,1
(1)+Y 0,5
a0
730,2302
310,5300
390,1809
463,5476
278,2143
174,5357
95,2619
726,9297
718,6017
728,3789
719,2733
656,145
682,0345
725,2818
728,583
714,2943
747,3512
890,9848
816,7284
656,7735
910,3302
706,6932
696,5381
660,3804
607,3512
b0
0,7571
0,3600
1,5987
0,5450
0,0604
-0,0071
0,4487
0,7655
0,7574
0,19748
0,268
0,9447
0,5389
0,6857
0,5852
0,5834
0,1858
0,1953
0,1290
0,9674
0,1317
0,2509
0,395
0,5405
0,9261
c0,10-4
-8
-4
-18
-8
0,18
2
-6
-8,1
-8,02
8,2
6,3
-7,2
4,3
-3,5
1,3
2,0
8,0
6,9
5,3
5,0
5,0
2,8
1,2
1,4
3,0
-d0, 10-6
-0,60
0,22
0,72
-0,52
0,06
-0,38
-0,60
-0,59
0,48
0,49
-0,38
0,51
-0,12
0,21
0,23
0,42
0,47
0,18
0,19
0,17
0,01
0,05
0,06
0,03
Приведена температурная зависимость термодинамических функций
сплава АК1М2, легированного скандием, иттрием, празеодимом и неодимом.
Получены следующие уравнения для температурных зависимостей энтальпии,
энтропии и энергии Гиббса для легированного сплава АК1М2:
;
18
;
.
Значения коэффициентов, входящих в эти уравнения, приведены в таблице 4.
Таблица 4. Значение коэффициентов в уравнении температурной
зависимости энтальпии, энтропии и энергия Гиббса
Сплав
Al(A5N)
Cu
Si
AK1
AK1M2 (1)
(1)+Nd 0.005
(1)+Nd 0.05
(1)+Nd 0.1
b1, c1,
-d1,
b2,
c2,
-d2,
-b3,
-c3,
d3,
a2
-a3
-3
-6
-9
-3
-6
-9
-3
-5
10
10
10
10
10
10
10
10
10-9
19.72 10.22 -7,2 -4.03 19.72 20.44 -10,8 -5.37 19.72 10.22 -0.36 -1.34
19.73 11.45 -4,7 -3.50 19.73 22.90 -12,7 -4.67 19.73 11.45 -0.80 -1.17
a1
10.95
19.63
19,92
20,19
19,94
18,19
22.50
10.33
10,5
2,74
3,71
13,09
-16,8
-7,3
-7,41
7,58
5,82
-6,65
-5.08
-4.04
-4,10
3,33
3,41
-2,65
10.95
19.63
19,92
20,19
19,94
18,19
45.00
20.67
21,00
5,47
7,43
26,2
-25,3 -6.78
-10,9 -5.39
-11,12 -5,461
11,38 4,45
8,73 4,55
-9,98 -3,53
10.95
19.63
19,92
20,19
19,94
18,19
22.50
10.34
10,5
2,74
3,71
13,1
-0.80
-0.36
-3,70
3,79
2,91
-3,32
-1.70
-1.35
-1,36
1,11
1,14
-0,88
(1)+Nd 0.5 18,91 7,47 3,97 3,55 18,91 14,94 5,96 4,73 18,91 7,47
(1)+Pr 0.005 20,11 9,50 -3,23 -0,81 20,11 19,01 -4,852 -1,09 20,11 9,50
-1,98 1,18
-1,62 -0,27
(1)+Pr 0.05
20,20 8,11 1,20 1,46 20,20 16,22 1,80
1,95 20,20 8,11
0,60
0,49
(1)+Pr 0.1
(1)+Pr 0.5
19,80 8,10 1,85 1,63 19,80 16,20 2,77 2,17 19,80 8,10
20,72 2,58 7,39 2,95 20,72 5,15 11,09 3,93 20,72 2,58
0,92
3,70
0,54
0,98
3,19
1,09
(1)+Sc 0.005 24,70 2,71 6,38 3,27 24,70 5,41
9,56
4,36 24,70 2,71
(1)+Sc 0.05 22,64 1,79 4,90 1,24 22,64 3,58 7,35 1,66 22,64 1,79 2,45 0,41
(1)+Sc 0.1 18,21 13,41 -4,62 -1,32 18,21 26,82 -6,93 -1,77 18,21 13,41 -2,31 -0,44
(1)+Sc 0.5
(1)+Y 0.005
(1)+Y 0.05
(1)+Y 0.1
(1)+Y 0.5
25,24 1,826 4,62 1,20 25,24 3,65
6,93
1,60 25,24 1,83
2,31
0,40
19,59
19,31
18,31
16,84
3,88
1,66
1,94
-4,16
0,11
0,47
0,57
-0,27
1,29
0,55
0,65
-1,39
0,03
0,12
0,14
-0,07
3,48
5,47
7,49
12,84
2,59
1,11
1,29
-2,77
0,09
0,35
0,43
0,20
19,59
19,31
18,31
16,84
6,96
11,00
15,00
26,00
19,59
19,31
18,31
16,84
3,48
5,47
7,49
12,84
В качестве примера на рисунках 9 - 11 приведены зависимости энтальпии,
энтропии и энергии Гиббса от температуры для сплава АК1М2, легированного
скандием различной концентрации.
Полученные экспериментальные результаты показывают, что для сплавов,
легированных иттрием и неодимом, энтальпия и энтропия меньше, чем для исходного сплава, а энергия Гиббса больше, т.е. легирование сплава АК1М2 спо19
Рис. 8. Зависимость CP от температуры Рис. 9. Температурная зависимость
для сплава AK1М2, легированного энтальпии для сплава АК1М2, легискандием.
рованного скандием.
Рис. 10. Температурная зависимость эн- Рис. 11. Температурная зависимость
тропии для сплава АК1М2, легирован- энергии Гиббса для сплава АК1М2,
ного скандием.
легированного скандием.
собствует повышению его термостабильности. Для сплавов, легированных празеодимом и скандием, энтальпия и энтропия больше, чем для исходного сплава,
а энергия Гиббса меньше.
Ввиду не достаточно строгой теории, описывающей возможные изменения теплофизических свойств сплавов при легировании, и трудностей разделения вкладов в их теплоѐмкости, количественные и качественные оценки их
температурных и концентрационных зависимостей ещѐ преждевременны.
20
Основные результаты и выводы
1.Предложен новый вариант метода исследования теплоемкости металлов
и сплавов в режиме охлаждения - способ автоматической регистрации температуры образца от времени охлаждения. Выявлено, что процесс охлаждения алюминия и его сплавов имеет релаксационный характер с двумя временами релаксации. Показаны преимущества предложенного способа по сравнению с периодическим нагревом. Разработана методика исследования температурной зависимости теплоемкости сплавов в широком интервале температур.
2. На основе экспериментальных данных по скорости охлаждения и литературных данных по теплоемкости в области температур 293÷873 K определены коэффициенты теплоотдачи меди, цинка и алюминия марки А5N, сплавов
АК1 и АК1М2 и выявлены отличия между их величинами. Установлен факт роста коэффициента теплоотдачи металлов и сплавов с повышением температуры.
3. Экспериментально исследованы удельные теплоемкости алюминия марки A7, сплавов АК1 и АК1М2 в интервале температур 293÷873 K. Закономерность изменения удельной теплоемкости сплавов подчиняется правилу Неймана-Коппа. Как для чистых металлов, так и для сплавов повышение температуры
приводит к увеличению значений удельной теплоемкости. Температурная зависимость теплоемкости в исследованном интервале температуры выражается
уравнением
.
4. Впервые исследована температурная зависимость удельной теплоемкости сплава АКlМ2 на основе алюминия марки A5N, легированного скандием,
иттрием, празеодимом и неодимом. Концентрационная зависимость теплоемкости сплава АК1М2, легированного скандием, иттрием, празеодимом и неодимом, характеризуется по-разному. Установлено, что для сплава легированного
иттрием и неодимом характерен рост значений теплоемкости при концентрации
более 0,05 мас.% и температуре 400К. Для сплава, легированного скандием и
празеодимом, наблюдается повышение значений теплоемкости во всем интер21
вале концентраций. Температурную зависимость теплоемкости легированных
сплавов определяет изменение растворимости - растворимость легирующего
металла с повышением температуры растет. Эти результаты согласуются с фазовым составом и результатами изучения коррозии этих же сплавов. Сложный
характер зависимостей теплоемкости от температуры свидетельствует о совокупном влиянии ряда факторов на составляющие теплоемкости.
5. Используя интегралы от молярной теплоемкости, получены уравнения
зависимости энтальпии, энтропии и энергия Гиббса от температуры, позволяющие вычислить значения этих функций при любой температуре или изменения в определенном интервале температур. Выявлено, что для сплавов, легированных иттрием и неодимом, энтальпия и энтропия меньше, чем для исходного
сплава, а энергия Гиббса больше, т.е. легирование способствует повышению их
термостабильности. Для сплавов, легированных празеодимом и скандием, энтальпия и энтропия больше, чем для исходного сплава, а энергия Гиббса меньше.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в научных журналах Перечня ВАК Минобнауки РФ
1. Низомов З. Исследование температурной зависимости удельной теплоемкости алюминия марки ОСЧ и А7 / З. Низомов, Б.Н. Гулов, И.Н. Ганиев,
Р.Х. Саидов, Ф.У. Обидов, Б.Б. Эшов // Доклады АН Республики Таджикистан.
-2011. -Т.54. -№1. -С.53-59.
2. Низомов З. Температурная зависимость теплоемкости сплава АК1М2
легированного редкоземельными металлами / З. Низомов, Б.Н. Гулов, И.Н. Ганиев, Р.Х. Саидов, А.Э. Бердиев // Доклады АН Республики Таджикистан. 2011. -Т.54. -№11. -С.917-921.
3. Низомов З. Измерение удельной теплоемкости твердых тел методом
охлаждения / З. Низомов, Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов, З. Авезов // Вестник национального университета. -2010. -Вып. 3(59). -С.136-141.
22
4. Саидов Р.Х. Сравнение температурной зависимости теплоемкости кремния с теорией Дебая / Р.Х. Саидов, Б.Н. Гулов, З. Низомов // Вестник национального университета. -2011. -Вып. 10(74). -С.20-22.
5. Гулов Б.Н. Сравнение температурной зависимости теплоемкости и коэффициента теплоотдачи алюминия марки А7 / Б.Н. Гулов, Ф.М. Мирзоев,
Н.Ф. Иброхимов, Р.Х. Саидов, З. Низомов // Вестник Таджикского технического университета. -2011. -Вып. 1(13). -С.8-11.
6. Гулов Б.Н. Исследование температурной зависимости термодинамических свойств сплава АК1+2%Cu / Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов, З. Низомов // Вестник Таджикского технического университета. -2012. -Вып. 1(17). -С.14-18.
Статьи в материалах конференций
7. Низомов З. Температурные зависимости термодинамических свойств
алюминия марок A5N и A7 / З. Низомов, Б.Н. Гулов, И.Н. Ганиев, Р.Х. Саидов,
Ф.У. Обидов, Б.Б. Эшов // Сб. мат. 1V Междунар. науч.-прак. конф. «Эффективность сотовых конструкций в изделиях авиационно-космической техники».Днепропетровск, 2011. -С.165-170.
8. Низомов З. Температурная зависимость термодинамических свойств
сплава АК1М2, легированного РЗМ / З. Низомов, Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов //
Мат. VII Межд. науч.-прак. конф. «Achievement of high school -2011». -Т.27. София: «БялГРАД-БГ» ООД, 2011. -С.78-88.
9. Низомов З. Исследование температурной зависимости коэффициента
теплоотдачи меди, алюминия А7 и цинка // З. Низомов, Р.Х. Саидов, Б.Н. Гулов, З. Авезов // Мат. Межд. конф. «Современные проблемы физики конденсированных сред и астрофизики». -Душанбе: Бахт LTD, 2010. –С.38-41.
10. Низомов З. Исследование удельной теплоемкости алюминия, меди и
цинка методом охлаждения и сравнение с теорией Дебая // З. Низомов, Б.Н.
Гулов, Р.Х. Саидов, З. Авезов // Мат. IV Межд. науч.-прак. конф. «Перспективы развития науки и образования». -Душанбе: Изд-во ТТУ им. акад. М.С. Осими, 2010. -С.188-191.
23
11. Низомов З. Температурная зависимость теплоемкости сплава АК1 / З.
Низомов, Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов // Мат. V Межд. науч.-прак. конф. «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в ВУЗах стран СНГ», 2011 г. Часть 2. -Душанбе: Изд-во ТТУ
им. акад. М.С. Осими, 2011. -С.66-70.
12.
Низомов
З.
Температурная
зависимость
теплоемкости
сплава
АК1+2%Cu легированными РЗМ / З. Низомов, Р.Х. Саидов, Б.Н. Гулов, А.Э.
Бердиев, Х.Х. Ниезов // Мат. межд. конф. «Современные вопросы молекулярной спектроскопии конденсированных сред». -Душанбе: Изд-во ТНУ, 2011.С.184-187.
13. Низомов З. Температурная зависимость термодинамических функций
для сплавов АК1 и АК12 / З. Низомов, Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов, Дж.Г. Шарипов // Мат. междунар. конф. «Современные вопросы молекулярной спектроскопии конденсированных сред». -Душанбе: Изд-во ТНУ, 2011.-С.188-191.
14. Низомов З. Теплоемкость различных марок алюминия / З. Низомов, Ф.
Мирзоев, Б.Н. Гулов, Р.Х. Саидов, З. Авезов // Мат. VII Межд. науч.-прак.
конф. «Перспективы развития науки и образования». Часть 1.- Душанбе: Издательство ТТУ им. акад. М.С. Осими, 2014. -С.206-208.
Изобретения по теме диссертации
15. Малый патент №TJ 275 Республика Таджикистан, МПК С 22 С 18/04.
Алюминиево-кальциевый сплав / Гулов Б.Н.; заявитель и патентообладатель:
Ганиев И.Н., Махсудова М.С., Ганиева Н.И., Обидов З.Р., Гулов Б.Н. / №
0900342; заявл. 19.05.09; опубл. 2.12.09, Бюл. 56(4), 2009.-3 с.
16. Малый патент №TJ 465 Республика Таджикистан, МПК С 22 С 21/12,
Е 02 B 3/12. Низколегированный алюминиевый сплав / Гулов Б. Н.; заявитель и
патентообладатель: Государственной научно-экспериментальной и производственной учреждения Академии наук Республики Таджикистан, Открытый
университет г. Меджлисе Исфахана Исламской Республики Иран / №1100651;
заявл. 29.08.11; опубл. 29.09.11, Бюл. 65, 2011. -3 с.
24
17. Малый патент №TJ 510 Республика Таджикистан, МПК G 01 K 17/08.
Установка для измерения теплоѐмкости твѐрдых тел / Гулов Б. Н.; заявитель и
патентообладатель: Низомов З., Гулов Б., Саидов Р., Обидов З.Р., Мирзоев Ф.,
Авезов З., Иброхимов Н. / №1100659; заявл. 03.10.11; опубл. 12.04.12, Бюл. 72,
2012. -3 с.
Другие издания
18. Низомов З. Теплоемкость особочистого алюминия и его сплавов / З.
Низомов, Р.Х. Саидов, Б.Н. Гулов. - Издательский Дом: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG., 2012. -104 с.
25
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
20
Размер файла
849 Кб
Теги
199753
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа