Теплофизические и электрические свойства сплавов никель-кобальт при высоких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ . А

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ В

1.1. Диаграмма состояния

1.2. Теплофизические свойства

1.2.1. Теплоемкость сплавов никель-кобальт

1.2.2. Теплопроводность и температуропроводность

1.3. Электросопротивление сплавов никель-кобальт

1.4. Выводы и постановка задачи исследования

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

2.1. Методы исследования температуропроводности

2.1.1. Метод плоских температурных волн

2.1.2. Метод плоских температурных волн в режиме быстрого нагрева

2.2. Четырехзондовый потенциометрический метод измерения удельного электросопротивления

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

3.1. Автоматизированная установка для измерения температуропроводности

3.2. Установка для исследования удельного электросопротивления

3.3. Подготовка и аттестация образцов для высокотемпературных измерений

3.4. Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

4.1. Температуропроводность в интервале температур 900-1700 К

4.2. Теплопроводность в интервале температур 900-1500 К

4.3. Электросопротивление в интервале температур 300-1500 К

4.4. Выводы

Актуальность работы. Одной из основных задач теплофизики является определение теплофизических свойств веществ в широком интервале температур с целью использования этих экспериментальных данных как для разработки и создания новых перспективных конструкционных материалов с особыми физическими свойствами, так и для оптимизации процессов их изготовления.

Особое место в металлургии и машиностроении занимают сплавы металлов подгруппы железа, в частности никеля. Сплавы на основе никеля отличаются высокой коррозионной стойкостью, высокими механическими свойствами, отличной обрабатываемостью в горячем и холодном состояниях, что делает эти сплавы незаменимым исходным материалом для приборостроения, машиностроения и других областей промышленности. Несмотря на это, теплофизи-ческие и кинетические свойства сплавов никеля при высоких температурах практически не изучены. Имеющиеся литературные данные малочисленны и противоречивы. Это относится даже к таким сплавам, как сплавы никеля с кобальтом.

К началу нашего исследования сведения о поведении теплопроводности и температуропроводности сплавов Ni-Co при высоких температурах практически отсутствовали, а результаты измерения их электросопротивления, полученные разными авторами, были во многом противоречивы. Отсутствовали комплексные исследования теплофизических и кинетических свойств сплавов Ni-Co, выполненные на одних и тех же образцах. Во многом такая ситуация обусловлена спецификой высокотемпературных исследований теплофизических и кинетических свойств металлов и сплавов, так как при высоких температурах трудно корректно учесть или исключить тепловые потери, связанные с образцом. Существенное влияние на экспериментальные результаты при этих условиях оказывает также процесс окисления образцов.

Интерес к сплавам Ni-Co обусловлен не только их практическим применением. Эти сплавы образуют непрерывный ряд твердых растворов. Поэтому они представляют собой удобные модельные объекты, позволяющие проанализировать влияние состава на основные механизмы переноса и рассеяния тепла и заряда в двойных металлических сплавах на основе металлов подгруппы железа. Представляет интерес и сравнительный анализ изменения теплофизических и кинетических свойств кобальта при его легировании железом и никелем.

Данная работа является частью комплексного исследования теплофизических и кинетических свойств металлов, сплавов и композиционных материалов при высоких температурах, выполняемого на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии.

Цель работы состояла:

- в экспериментальном исследовании температуропроводности сплавов системы никель-кобальт в интервале температур 900-1700 К и удельного электросопротивления этих сплавов при температурах 300-1500 К;

- в получении расчетных данных по теплопроводности и функции Лоренца для сплавов Ni-Co и совместном анализе температурных и концентрационных зависимостей перечисленных теплофизических свойств с фазовым состоянием и параметрами электронной структуры этих сплавов;

- в выявлении особенностей механизмов переноса тепла и рассеяния электронов и фононов в сплавах никель-кобальт при высоких температурах;

- в сравнительном анализе изменения теплофизических и кинетических свойств кобальта при его легировании железом и никелем.

Научная новизна:

- впервые выполнено комплексное исследование теплофизических и электрических свойств сплавов системы никель-кобальт при высоких температурах;

- получены экспериментальные данные о тепло- и температуропроводности сплавов никель-кобальт при температурах 900-1700 К;

- получены новые результаты об удельном электросопротивлении этих сплавов при 300-1500 К;

- проверена и уточнена диаграмма состояния сплавов Ni-Co в области средних и высоких температур;

- установлено, что исследованные физические свойства сплавов никель-кобальт изменяются немонотонно с ростом концентрации кобальта;

- показано, что характер поведения теплофизических и электрических свойств сплавов никель-кобальт при высоких температурах определяется сочетанием двух типов рассеяния электронов проводимости: однозонного рассеяния на магнитных неоднородностях и двухзонного s-d рассеяния Мотта;

- установлено, что легирование кобальта железом и никелем по-разному влияет на теплофизические свойства двойных металлических сплавов Fe-Co и Ni-Co.

Практическая ценность

Выполненные исследования теплофизических и электрических свойств сплавов никель-кобальт при высоких температурах позволили получить справочную информацию, необходимую для выбора оптимальных тепловых режимов производства, обработки и эксплуатации материалов, созданных на основе этих сплавов. Проверена и уточнена диаграмма состояния сплавов никель-кобальт.

Материалы работы использованы при выполнении госбюджетных научных исследований на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии.

Автор защищает:

- результаты исследования теплофизических и электрических характеристик сплавов системы никель-кобальт в интервале температур 300-1700 К;

- результаты исследования аномалий теплофизических свойств указанных сплавов в районах точек магнитных и структурных фазовых переходов;

- результаты исследования корреляции между электрическими и тепло-физическими свойствами сплавов Ni-Co при высоких температурах;

- результаты уточнения фазовой диаграммы системы никель-кобальт;

- результаты анализа основных механизмов рассеяния электронов в сплавах никель-кобальт при высоких температурах;

- результаты сравнительного анализа изменения теплофизических свойств двойных сплавов на основе металлов подгруппы железа при переходе от железа к кобальту и, далее, к никелю.

Апробация работы

Основные результаты докладывались на следующих конференциях: II Международной теплофизической школе (Тамбов, 1995 г.); XIII Международной конференции по теплофизическим свойствам (Боулдер, Колорадо, США, 1997 г.); V Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ (Екатеринбург, 1999 г.); IV Международной тепло-физической школе (Тамбов, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Физические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 2001 г.).

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 1994 по 2001 гг. Часть результатов получена совместно с сотрудниками кафедры физики Уральской государственной горно-геологической академии. В коллективных публикациях автору принадлежат защищаемые в диссертации положения и выводы.

Автор благодарит сотрудников кафедры физики УГГТА В. Ф. Полева и В. И. Горбатова за помощь, оказанную при выполнении эксперимента.

5.4. Выводы

На основании изложенного в пятой главе можно сделать следующие выводы:

- по результатам исследования температуропроводности и удельного электросопротивления сплавов Ni-Co проверена и уточнена диаграмма состояния этих сплавов; показано, что наши экспериментальные данные подтверждают положение линий структурных фазовых переходов для системы Ni-Co, однако положение линии магнитных превращений и линии солидус-ликвидус, по нашим экспериментальным данным, несколько отличается от их положения на известных фазовых диаграммах;

- совместный анализ добавочного электросопротивления, плотности электронных состояний для d-полосы вблизи поверхности Ферми, остаточного электросопротивления и функции Лоренца для сплавов Ni-Co позволил сделать вывод о влиянии различных механизмов рассеяния электронов на их кинетические и теплофизические свойства при высоких температурах;

116

- рассчитана теплопроводность сплавов Ni-Co и выделены ее электронная и фононная составляющие;

- установлено, что при высоких температурах процессы рассеяния электронов проводимости в сплавах Ni-Co происходят подобно процессам, протекающим в сплавах на основе железа (Fe-Ni, Fe-Co и Fe-Cr), однако легирование кобальта железом и никелем по-разному влияет на теплофизические и кинетические свойства двойных металлических сплавов Fe-Co и Ni-Co.