Микрогетерогенность и особенности кристаллизации  расплавов на основе алюминия (19.10.2009)

Автор: Чикова Ольга Анатольевна

ЧИКОВА Ольга Анатольевна

МИКРОГЕТЕРОГЕННОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Специальность 02.00.04 – Физическая химия

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Екатеринбург - 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики и естествознания ГОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет» и кафедре физики ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого президента России Б.Н.Ельцина", г. Екатеринбург.

Научный консультант: доктор физико-математических наук

Попель Петр Станиславович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ладьянов Владимир Иванович

доктор физико-математических наук

Малкин Александр Игоревич

доктор физико-математических наук

Ермаков Герман Викторович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск

Защита состоится " 29 "декабря 2009 года в   14 00   часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.13 при ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого президента России Б.Н.Ельцина " в аудитории I главного учебного корпуса по адресу: г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ".

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО "УГТУ-УПИ имени первого президента России Б.Н.Ельцина ", ученому секретарю университета.

Автореферат разослан "  "     2009 года.

Ученый секретарь В.И.Рогович

диссертационного совета, профессор, к.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Изучение связей между химическим составом, структурой металлических расплавов и их свойствами является одной из актуальных задач физической химии. Методами рентгеноструктурного анализа, электронографии и нейтронографии, а также путем анализа экспериментальных зависимостей «состав-свойство» был сделан вывод о том, что металлические расплавы в широкой температурно-концентрационной области являются химически неоднородными системами. Разрушение микронеоднородностей происходит в условиях высоких температур или при длительных изотермических выдержках. Перевод металлического расплава в состояние однородного на атомном уровне раствора при последующем охлаждении и кристаллизации приводит к изменениям структуры и свойств твердого металла.

Представления о наличии необратимых изменений структурного состояния металлических расплавов при изменении температуры или при изотермических выдержках систематизированы и обобщены Б.А. Баумом с сотрудниками. Температуры, отвечающие необратимому изменению строения расплава, были названы температурами гомогенизации расплава Тгом и, как правило, определялись по началу высокотемпературного совпадающего участка политерм какого-либо структурно чувствительного свойства металлической жидкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении. Нагрев расплава выше Тгом при последующем охлаждении и кристаллизации, приводил к существенным изменениям структуры и свойств твердого металла. В результате работ Б.А. Баума появился эффективный метод управления структурным состоянием жидкого металла и формирующегося из него слитка путем оптимизации температурно-временного режима ведения плавки. Однако для разработки физико-химических основ технологии получения металлических сплавов требовались ясные представления о природе химической микронеоднородности, причинах ее длительного существования при температурах, близких к ликвидусу, и закономерностях разрушения при нагреве до определенных температур.

Такие представления в отношении расплавов систем с эвтектикой были сформулированы в работах П.С. Попеля. О существовании в них микрообластей, обогащенных одноименными атомами, свидетельствовали результаты исследования дифракции рентгеновских лучей, полученные еще в 1930-х годах. В результате седиментационных экспериментов удалось оценить их размер величиной порядка десятков нанометров, что существенно превышало масштаб ближнего упорядочения в расплавах. На основании анализа обширного экспериментального материала П.С. Попель показал, что состояние гомогенного раствора является термодинамически устойчивым при всех температурах существования эвтектического расплава. Микронеоднородность, наблюдаемая после плавления эвтектического образца, согласно его представлениям, обусловлена длительным существованием в расплаве микрообластей, унаследованных от химически неоднородного исходного слитка и обогащенных различными компонентами. Эти области рассматривались автором как дисперсные частицы, а сам расплав – как микрогетерогенная система, состоящая из дисперсной и дисперсионной фаз. После плавления эвтектического образца система релаксировала к термодинамически устойчивому состоянию однородного раствора, однако, во-первых, этот процесс мог протекать в очень медленном кинетическом режиме, а во-вторых, он мог завершиться установлением метастабильного равновесия между дисперсными частицами и окружающим расплавом. Микрогетерогенным состоянием расплава было названо такое состояние, для которого характерно наличие межфазной поверхности, отделяющей включения от остального расплава. Прямые доказательства существования в эвтектических расплавах дисперсных частиц, обогащенных одним из компонентов, и необратимых изменений структурного состояния расплава при нагреве были получены уже в 1990-х годах У. и М. Дальборгами при изучении малоуглового рассеяния нейтронов в расплавах простых эвтектик Sn-Pb и Al-Si. В работах Попеля П.С. отмечалась и возможность существования подобных эффектов в системах с куполом макроскопического расслоения расплавов в надликвидусной части диаграммы состояния.

Указанные представления о физической природе микронеоднородностей были основаны на результатах немногочисленных денситометрических и калориметрических опытов, а также анализе термодинамических предпосылок существования метастабильных коллоидных состояний в расплавах с неограниченной смешиваемостью компонентов. Лишь для отдельных сплавов системы AlSi было прослежено влияние гомогенизации расплава на структуру литого металла. К моменту начала данной работы (1987 год) существовала настоятельная необходимость проведения дополнительных исследований в следующих направлениях:

- накопление информации и систематизация данных о закономерностях возникновения и разрушения микрогетерогенных состояний в системах с различными типами фазовых диаграмм;

- систематическое изучение влияния гомогенизирующей термообработки расплава на структуру литого металла при низких скоростях охлаждения;

- теоретическое обоснование возможности длительного существования в расплавах неравновесных и метастабильных микрогетерогенных состояний;

Эта ситуация и определила цель работы: экспериментальное и теоретическое изучение физической природы микрогетерогенности расплавов эвтектических систем и систем с областью несмешиваемости в жидком состоянии и влияния ее необратимого разрушения на микроструктуру металла после кристаллизации. В качестве объекта исследования были выбраны сплавы на основе простого металла – алюминия - с различными типами диаграмм состояния.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

Обоснованно выбрать методы и разработать методики экспериментального исследования микрогетерогенности металлических расплавов.

Исследовать условия возникновения и разрушения микрогетерогенных состояний в жидких металлических растворах с различными типами диаграмм состояния.

Построить температурно-концентрационные границы областей микрогетерогенности на диаграммах состояния изученных систем.

Исследовать влияние разрушения микрогетерогенности расплава на морфологические особенности структуры слитков, полученных при низких скоростях охлаждения (~1-10?С/с), которые характерны для большинства литейных процессов.

Изучить возможность регулирования температур гомогенизации микрогетерогенных расплавов путем введения присадок, снижающих межфазное натяжение на границах дисперсных частиц.

Провести термодинамический анализ условий спонтанного диспергирования растворяющихся частиц в микрогетерогенном расплаве и возможности их равновесия с окружающей средой.

Рассчитать характерные времена расплавления и растворения твердых металлов и унаследованных от них дисперсных частиц в металлических расплавах.


загрузка...