Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 53 Физика
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 20.15 Организация информационной деятельности
GRNTI 20.17 Документальные источники информации
GRNTI 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.03 Машиноведение и детали машин
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.15 Литейное производство
GRNTI 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
GRNTI 55.18 Сборочное производство
GRNTI 55.19 Резание материалов
GRNTI 55.20 Электрофизикохимическая обработка
GRNTI 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
GRNTI 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
GRNTI 55.23 Производство изделий из порошковых материалов
GRNTI 55.24 Производство неметаллических изделий
GRNTI 55.29 Станкостроение
GRNTI 55.30 Робототехника
GRNTI 55.31 Инструментальное производство
GRNTI 55.33 Горное машиностроение
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
GRNTI 55.37 Турбостроение
GRNTI 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.43 Автомобилестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 55.47 Авиастроение
GRNTI 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
GRNTI 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
GRNTI 55.55 Коммунальное машиностроение
GRNTI 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
GRNTI 55.69 Прочие отрасли машиностроения
GRNTI 73.01 Общие вопросы транспорта
GRNTI 73.29 Железнодорожный транспорт
GRNTI 73.31 Автомобильный транспорт
GRNTI 73.39 Трубопроводный транспорт
GRNTI 73.41 Промышленный транспорт
The last half century is characterized by great achievements in the field of aluminum alloy development. The development of new materials on aluminum basis with the purpose of operation reliability increase in different equipment, structures, mechanisms by means of the their formation selection substantiated scientifically requires the fulfillment of the investigation complex of physical-chemical properties and considered to be a significant problem of modern science. The application of alloys based on aluminum with the addition of iron and rare-earth metals as conducting materials in electronics for manufacturing motor car aircraft engines, wire, rods, tires and other products in electronic engineering is also known. In scientific literature there are no data on rare earth metal impact upon thermal-physical properties thermal-dynamic functions of aluminum alloys with iron. In this work in the mode of cooling there is investigated a temperature dependence of specific thermal capacity and changes of thermal-dynamic functions of the aluminum alloy AZh2.18 alloyed with praseodymium in the interval temperature 298.15-800 K. It is defined that with the temperature growth, heat capacity, enthalpy and entropy of alloys increases and the values of Gibbs energy decrease. It is shown that with the praseodymium concentration increase, heat capacity, enthalpy and entropy of alloys grow insufficiently, and Gibbs energy decreases.
aluminum alloy AZh2.18, praseodymium, heat capacity, temperature dependence, enthalpy, entropy, Gibbs energy
Введение
Развитие современной науки и техники предъявляет все возрастающие требования к уровню эффективности, качеству и разнообразию свойств изделий из цветных металлов. В современных материалах должны сочетаться высокие свойства и качества для обеспечения необходимого ресурса и надежности работы изделий авиационно-космической техники, судостроения, машиностроения, атомной энергетики, радиотехники, вычислительной техники и строительства. 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 жаропрочностью, а также рядом специфических характеристик [1-3].
Однако первичный алюминий, извлекаемый из электролизеров (алюминий-сырец), содержит ряд металлических примесей, в том числе железа и кремния, переходящих непосредственно из сырья, что значительно ухудшает эксплуатационные характеристики алюминиевых сплавов [4-6].
Отсюда возникает проблема создания сплавов на основе так называемого некондиционного металла. В качестве исходного сплава нами был выбран сплав эвтектического состава АЖ2.18, содержащий 2,18 мас.% железа, отличающийся отсутствием интервала кристаллизации, структура которого состоит лишь из эвтектических включений ( -Al+Al3Fe). Последний хорошо поддается модифицированию различными металлами.
Цель работы заключается в исследовании влияния малых добавок модифицирующего компонента празеодима на теплоёмкость и изменения термодинамических функций алюминиево-железового эвтектического сплава АЖ2.18.
В последнее время в качестве модифицирующих добавок к алюминиевым сплавам стали широко применять редкоземельные металлы (РЗМ). Изучение структуры и свойств отдельных РЗМ позволило открыть у них особые качества, необходимые для работы новейших физических приборов. Учитывая всесторонние преимущества этих уникальных металлов, в работе в качестве модифицирующей добавки к алюминиево-железовому сплаву АЖ2.18 использовали празеодим.
Теория метода и схема установки для измерения теплоемкости
Сплавы для исследования получали в шахтных лабораторных печах сопротивления типа СШОЛ в интервале температур 750-850 0С из алюминиево-железового сплава АЖ2.18 (2,18 мас.% Fe), который непосредственно извлекался из электролизных ванн Таджикской алюминиевой компании (ГУП «ТАлКо»), и лигатуры на основе алюминия, содержащей до 10 мас.% празеодима. Там же в центральной заводской лаборатории был проведен химический анализ сплавов на содержание железа, примесей и празеодима. Состав полученных сплавов контролировался также взвешиванием образцов до и после сплавления. В дальнейшем исследованию подвергались сплавы, у которых разница в массе до и после сплавления не превышала 2% (отн.). Лигатуры предварительно синтезировались в камерной вакуумной электропечи сопротивления типа СНВЭ-1.3.1/16 И4. Из полученных сплавов в графитовую изложницу отливали образцы диаметром 16 мм и длиной 30 мм.
Для измерения удельной теплоёмкости сплавов в широкой области температур использовался закон охлаждения Ньютона - Рихмана. Если взять два одинаковой формы металлических образца и охлаждать их от одной температуры, то по зависимости температуры образцов от времени (кривым охлаждения) можно найти теплоёмкость одного образца, зная теплоёмкость другого (эталона).
Количество тепла, теряемого объёмом dV металла за время dτ, равно
где
- удельная теплоёмкость металла;
- плотность металла; Т - температура образца (принимается одинаковой во всех точках образца, так как линейные размеры тела малы, а теплопроводность металла велика).
Величину можно подсчитать, кроме того, по закону
где dS - элемент поверхности; Т0 - температура окружающей среды; α - коэффициент теплоотдачи.
Приравнивая выражения (1) и (2), получим:
Количество тепла, которое теряет весь объём образца:
Полагая, что , ρ и
не зависят от координат точек объема, а α, Т и Т0 не зависят от координат точек поверхности образца, можно написать:
(5)
или
(6)
где V - объем всего образца, а ρV = m - масса; S - площадь поверхности всего образца.
Соотношение (6) для двух образцов одинакового размера при допущении, что S1 = S2, T1 = T2, α1 = α2, запишется так:
(7)
Следовательно, зная массы образцов m1 и m2, скорости охлаждения образцов и удельную теплоемкость
, можно вычислить удельную теплоемкость
неизвестного образца из уравнения
, (8)
где m1 = P1V1 - масса первого образца; m2 = P2V2 - масса второго образца; - скорости охлаждения образцов при данной температуре.
На практике находится средняя скорость охлаждения , где ΔТ ≈ 20 К, Δτ - промежуток времени, соответствующий ΔT.
Передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому - процесс, стремящийся к установлению термодинамического равновесия в системе, состоящей из огромного числа частиц, то есть это релаксационный процесс, который можно описать во времени экспонентой. В нашем случае нагретое тело передает свое тепло окружающей среде, т.е. телу с бесконечно большой теплоёмкостью. Поэтому температуру окружающей среды можно считать постоянной (Т0). Тогда закон изменения температуры тела в зависимости от времени 
можно записать в виде
, где 
- разность температур нагретого тела и окружающей среды;
- разность температур нагретого тела и окружающей среды при
; - постоянная охлаждения, численно равная времени, в течение которого разность температур между нагретым телом и окружающей средой уменьшается в е раз.
Измерение теплоемкости проводилось по методике, описанной в работах [7; 8], на установке, схема которой представлена на рис. 1. Электропечь 3 смонтирована на стойке 6, по которой она может перемещаться вверх и вниз. Образец 4 и эталон 5 (тоже могут перемещаться) представляют собой цилиндр длиной 30 мм и диаметром 16 мм с высверленными каналами с одного конца, в которые вставлены термопары. Концы термопар подведены к цифровым термометрам «Digital Multimeter DI9208L» (7, 8 и 9). Электропечь 3 запускают через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) 1, установив нужную температуру с помощью терморегулятора 2. По показаниям цифровых термометров 7, 8 и 9 фиксируется значение начальной температуры. Вдвигаем образец 4 и эталон 5 в электропечь 3 и нагреваем до нужной температуры, контролируя температуру по показаниям цифровых термометров на компьютере 10. Образец и эталон одновременно выдвигаем из электропечи и с этого момента фиксируем температуру. Записываем показания цифровых термометров на компьютер через каждые 5, 10, 20 с, охлаждая образцы и эталон до комнатной температуры.
Рис. 1. Установка для определения теплоемкости твердых тел в режиме охлаждения:
1 - автотрансформатор; 2 - терморегулятор; 3 - электропечь; 4 - измеряемый образец;
5 - эталон; 6 - стойка электропечи; 7 - цифровой термометр измеряемого образца;
8 - цифровой термометр эталона; 9 - цифровой термометр общего назначения;
10 - регистрационный прибор
Обсуждение результатов исследований
Для определения скорости охлаждения строят кривые охлаждения исследуемых образцов. Кривая охлаждения представляет собой зависимость температуры образца от времени при охлаждении его в неподвижном воздухе (термограмма).
Экспериментально полученные термограммы образцов из сплава АЖ2.18, модифицированного празеодимом, представлены на рис. 2 и 3. Интервал измерения температуры составлял 0,1 К.
|
|
|
|
Рис. 2. График зависимости температуры образцов из сплава АЖ2.18 с празеодимом и эталона от времени охлаждения
|
Рис. 3. Температурная зависимость скорости охлаждения образцов из сплава АЖ2.18 с празеодимом и эталона
|
Дифференцируя уравнение (9) по τ, получаем уравнение для определения скорости охлаждения сплавов:
. (10)
В табл. 1 представлены значения коэффициентов ∆Т1, τ1, ∆Т2, τ2 в уравнении (10) для сплава АЖ2.18 с празеодимом.
Таблица 1
Значения коэффициентов ∆Т1, τ1, ∆Т2, τ2 в уравнении (10) для сплава АЖ2.18
с празеодимом
|
Содержание празеодима в сплаве, мас.% |
∆Т1, K |
τ1, С |
∆Т2, K |
τ2, С |
∆Т1/τ1, K/c |
∆Т2/τ2, K/c |
∆Т0, K |
|
Сплав АЖ2.18 (1) |
202,6748 |
85,4701 |
426,4349 |
439,6764 |
2,3713 |
0,9699 |
199,2503 |
|
(1) + 0,1 |
202,6748 |
85,4701 |
426,4349 |
439,6764 |
2,3713 |
0,9699 |
284,4003 |
|
(1) + 0,5 |
202,6748 |
85,4701 |
426,4349 |
439,6764 |
2,3713 |
0,9699 |
289,2503 |
|
(1) + 2,5 |
208,9324 |
95,2381 |
424,3646 |
451,4877 |
2,1938 |
0,9399 |
298,4615 |
|
Эталон (Cu марки М00) |
169,6379 |
91,7431 |
424,8275 |
516,2356 |
1,8491 |
0,8229 |
222,0934 |
Используя скорости охлаждения образцов и теплоемкость эталонного образца, определили удельную теплоемкость сплава АЖ2.18 с празеодимом по уравнению (8) в интервале температур 300-800 К (табл. 2, рис. 4).
Таблица 2
Удельная теплоёмкость (кДж/кг∙К) сплава АЖ2.18 с празеодимом в зависимости
от температуры
|
Содержание празеодима в сплаве, мас.% |
Т, К |
||||||
|
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
Рост
|
|
|
Сплав АЖ2.18 (1) |
0,8291 |
1,1298 |
1,3000 |
1,3910 |
1,4541 |
1,5407 |
85,82 |
|
(1) + 0,1 |
0,8453 |
1,1470 |
1,3242 |
1,4682 |
1,4703 |
1,5619 |
84,77 |
|
(1) + 0,5 |
0,8719 |
1,1566 |
1,3448 |
1,4978 |
1,4969 |
1,5815 |
81,38 |
|
(1) + 2,5 |
0,9004 |
1,1860 |
1,3945 |
1,5124 |
1,5466 |
1,6231 |
80,26 |
|
Рост |
8,59 |
4,97 |
7,26 |
8,72 |
6,36 |
5,34 |
– |
|
Эталон (Cu марки М00) |
0,3850 |
0,3977 |
0,4080 |
0,4169 |
0,4251 |
0,4336 |
11,2 |
* Данные теплоёмкости меди заимствованы из справочника [9].
Обрабатывая с помощью программы Sigma Plot полученные по формуле (8) результаты эксперимента, определили коэффициенты уравнения температурной зависимости удельной теплоемкости для сплава АЖ2.18 с празеодимом (табл. 3).
. (11)
Таблица 3
Значения коэффициентов a, b, с, d в уравнении (11) для эталона и сплава АЖ2.18
с празеодимом
|
Содержание празеодима в сплаве, мас.% |
a, кДж/кг∙К |
b, кДж/кг∙К2 |
с∙10-5, кДж/кг∙К3 |
d∙10-9, кДж/кг∙К4 |
Коэффициент корреляции R, % |
|
Сплав АЖ2.18 (1) |
-1,3700 |
0,0116 |
-1,68 |
8,56 |
0,9964 |
|
(1) + 0,1 |
-1,2008 |
0,0111 |
-1,65 |
8,56 |
0,9964 |
|
(1) + 0,5 |
-1,2552 |
0,0113 |
-1,66 |
8,56 |
0,9964 |
|
(1) + 2,5 |
-0,7868 |
8,15 |
-1,02 |
4,45 |
0,9982 |
|
Эталон (Cu марки М00) |
0,3245 |
2,75 |
-0,028 |
0,142 |
1,00 |
Графическое изображение температурной зависимости удельной теплоемкости сплава АЖ2.18 с празеодимом показано на рис. 4.
Видно, что с ростом температуры и содержания празеодима в сплаве АЖ2.18 теплоемкость увеличивается.
При вычислении температурной зависимости изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса по уравнениям (12-14) применяли интегралы от удельной теплоёмкости по уравнению (11):
Рис. 4. Температурная зависимость удельной теплоемкости
сплава АЖ2.18 с празеодимом
(12)
(13)
(14)
где =298,15 К.
Используя уравнения (12-14), рассчитали температурную зависимость изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса для сплава АЖ2.18 с празеодимом (табл. 4).
Таблица 4
Температурная зависимость изменений термодинамических функций сплава АЖ2.18
с празеодимом и эталона
|
Т, К |
Эталон (Cu марки М00) |
Сплав АЖ2.18 (1) |
(1) + 0,1% Pr |
(1) + 0,5% Pr |
(1) + 2,5% Pr |
|
|
|||||
|
300 |
0,7120 |
1,5273 |
1,6133 |
1,6068 |
1,5861 |
|
400 |
39,8686 |
100,7773 |
103,9833 |
104,3035 |
101,8249 |
|
500 |
80,1679 |
223,1433 |
226,8693 |
228,7161 |
223,5461 |
|
600 |
121,4193 |
358,1373 |
360,3833 |
364,7568 |
358,3649 |
|
700 |
163,5173 |
500,4073 |
499,7733 |
507,4735 |
500,5661 |
|
800 |
206,4419 |
649,7373 |
645,4233 |
657,0501 |
647,1049 |
|
|
|||||
|
300 |
0,0024 |
0,0051 |
0,0054 |
0,0054 |
0,0053 |
|
400 |
0,1149 |
0,2886 |
0,298 |
0,2988 |
0,2918 |
|
500 |
0,2048 |
0,5609 |
0,5716 |
0,5758 |
0,5628 |
|
600 |
0,2800 |
0,8068 |
0,8148 |
0,8236 |
0,8083 |
|
700 |
0,3449 |
1,0260 |
1,0296 |
1,0435 |
1,0274 |
|
800 |
0,4022 |
1,2252 |
1,224 |
1,2431 |
1,223 |
|
Окончание табл. 4 |
|||||
|
Т, К |
Эталон (Cu марки М00) |
Сплав АЖ2.18 (1) |
(1) + 0,1% Pr |
(1) + 0,5% Pr |
(1) + 2,5% Pr |
|
|
|||||
|
|
|||||
|
300 |
-0,002 |
-0,005 |
-0,005 |
-0,005 |
-0,005 |
|
400 |
-6,107 |
-14,645 |
-15,224 |
-15,235 |
-14,911 |
|
500 |
-22,243 |
-57,308 |
-58,941 |
-59,189 |
-57,83 |
|
600 |
-46,586 |
-125,93 |
-128,52 |
-129,41 |
-126,61 |
|
700 |
-77,9 |
-217,77 |
-220,96 |
-222,97 |
-218,6 |
|
800 |
-115,31 |
-330,45 |
-333,76 |
-337,43 |
-331,3 |
* = 298,15 К.
Выводы
1. В режиме охлаждения по известной теплоёмкости эталонного образца из меди марки М00 установлено влияние празеодима на удельную теплоёмкость сплава АЖ2.18.
2. Показано, что с ростом температуры теплоёмкость, энтальпия и энтропия сплавов незначительно увеличиваются, а значения энергии Гиббса уменьшаются.
3. С увеличением концентрации празеодима удельная теплоемкость, энтальпия, энтропия исследуемого сплава АЖ2.18 незначительно растут, а энергия Гиббса уменьшается.
1. Luc, A.R. Alyuminiy i ego splavy / A.R. Luc, A.A. Suslina. - Samara: Samar. gos. tehn. un-t, 2013. - 81 s.
2. Beleckiy, V.M. Alyuminievye splavy (sostav, svoystva, tehnologiya, primenenie) / V.M. Beleckiy, G.A. Krivov; pod red. I.N. Fridlyandera. - Kiev: KOMITEH, 2005. - 365 s.
3. Mondol'fo, L.F. Struktura i svoystva alyuminievyh splavov / L.F. Mondol'fo. - M.: Metallurgiya, 1973. - 639 s.
4. Krasnoyarskiy, V.V. Korrozionno-elektrohimicheskie svoystva splavov alyuminiya s zhelezom v neytral'nyh rastvorah / V.V. Krasnoyarskiy, N.R. Saydaliev // Zaschita ot korrozii i okruzhayuschey sredy. - M., 1991. - Vyp. 3. - S. 14-19.
5. Frolov, V.F. Vliyanie tehnologicheskih faktorov na obrazovanie defektov struktury v krupnotonnazhnyh slitkah iz alyuminievyh splavov serii 1HHH / V.F. Frolov, S.V. Belyaev, I.Yu. Gubanov, A.I. Bezrukih, I.V. Kostin // Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. - 2016. - T. 14. - № 2. - S. 25-31.
6. Chukin, M.V. Osnovnye vidy i oblasti primeneniya nanostrukturirovannogo vysokoprochnogo listovogo prokata / M.V. Chukin, V.M. Salganik, P.P. Poleckov [i dr.] // Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. - 2014. - № 4. - S. 41-44.
7. Ganiev, I.N. Temperature dependence of the specific heat and thermodynamic functions of alloys of the Pb-Ca system / I.N. Ganiev, N.M. Mulloeva, Z. Nizomov, F.U. Obidov // High temperature. - 2014. - Vol. 52. - Is. 1. - P. 138-140.
8. Ganiev, I.N. Temperaturnaya zavisimost' teploemkosti i izmenenie termodinamicheskih funkciy splava AZh4.5 s olovom / I.N. Ganiev, A.G. Safarov, F.R. Odinaev, U.Sh. Yakubov, K. Kabutov // Izv. vuzov. Cvetnaya metallurgiya. - 2019. - № 1. - S. 50-58.
9. Zinov'ev, V.E. Teplofizicheskie svoystva metallov pri vysokih temperaturah / V.E. Zinov'ev. - M.: Metallurgiya, 1989. - S. 384.
