Макрокинетика пространственно-временных эволюций температурных и концентрационных полей при структурных превращениях в расплавах Al-Si тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ТЕПЛО- И МАССООВМЕНА ИМ.А.РЛЫКОВА

УДК 536.421+611

Г Г 5 ОД

ЮРКЕВИЧ Наталья Петровна ^ " ^ £'"'£"3

/ МАКРОКИНЕТИКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ЭВОЛКЩИЙ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ПРИ СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В РАСПЛАВАХ АЬв!

01.04.14-Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени, кандидата физико-математических наук

Минск 2000

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Чичко АН.

Официальные олПмненты: доктор технических наук,

профессор Шульман З.П.,

доктор физико-математических наук, профессор Шепелевич В.Г.

Оппонирующая организация: Московская государственная академия тонких химических технологий им. М.В.Ломоносова (Россия, г.Москва)

Защита состоится «

/¿Г »,иОрШ 2000 г. в часов на заседании совета по защите диссертаций Д 01.13.01 при АНК ИТМО им.А.В.Лыкова НАНБ по адресу. 220072, г. Минск, ул. П.Бровки, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальной академии наук Беларуси.

Автореферат разослан «___»_2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций Д 01.13.01, кандидат

физико-математических наук ^ Романов Г.С.

© Юркевич Н.П., 2000

4 ^2.02.0

*

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. Расплавы металлических 1стем находят большое применение в различных отраслях народного озяйства. Так, их используют в качеств теплоносителей в энергетике, ри производстве полупроводниковых и оптоэлектронных приборов в рецизионных технологических процессах радиоэлектронной нромышлен-¡ости. Многие вопросы, связанные с расплавами металлических систем, вляготся очень важными при решении практических задач металлургического производства. 0 частности, информация о структуре и :войствах расплавов используется при разрабогке высокотемпературных иетодов их обработки, развитие которых вызвано необходимостью оптимизации энергосберегающих технологий.

Прог-ресс в этом направлении неразрывно связан с проведением научных исследований расплавов. До сих пор исследования проводились, как правило, на эвтектических системах, к которым относится большинство промышленных сплавов. В изучении расплавов таких систем достигнуты определенные успехи - накоплен обширный экспериментальный материал, развиваются теоретические представления. В частности, исследователями установлено, что свойства расплавов эвтектических систем изменяются аномальным образом в зависимости от температуры и соотношения компонентов в расплаве. Доля аномалий в общем объеме данных по свойствам расплавов растет с увеличением числа исследований.

Аномальное изменение свойств расплавов объясняется наличием структурных превращений в областях микронеоднородности. Однако ряд вопросов, связанных со структурными превращениями н природой микронеоднородности расплавов, изучен недостаточно полно. Невмяснен вопрос о существовании структурных превращений в расплавах широкого

класса сплавов, относящихся к долиотектической области диаграы состояния. Допиогектические сплавы, в отличие ог эвтектических coñac являются однофазными и обладают структурой твердых раствори определенном интервале температур и концентраций. В практическо» научном отношении изучение твердых растворов важно и тем, 1 твердый раствор является составляющей структуры всех эвтектичес! сплавов. Лерешен вопрос о взаимосвязи структурных превращений расплавах и характера .роста твердой фазы при кристаллизат долиотеет ических сплавов. Во многом непонятен механизм протека! структурных превращений в расплавах, а, следовательно, неясна прирс образован»« микронеоднородности и ее роль в формировании своГи долиогектическнх сплавов в жидком и жидко-твердом состояниях.

СВЯЗЬ ГАВОТЫ С КРУПНЫМИ НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ. Hí тоящая диссертационная работа выполнена в соответствии с тематик госбюджетных НИР Кабинета Министров Республики Беларусь. Pe3yj таты измерения плотности расплавов и текучести использовались и разработке НИР "Создать технологию получения конструктивных rif филей из лома алюминия и его сплавов" (ГБ-91-93, 1992 г.); "Анализ повышение качества отливок из черных и цветных сплавов" (ГБ-91-í 1992 г.); "Разработка технологических основ изделия автоматизирован!!! процессов литейного производства" (ГБ-91-15, 1992 г.). Результат исследования процесса кристаллизации Al-Si сплавов были использова! при выполнении хозяйственного договора № 745 "Разработка систел управления качеством алюминиевых сплавов в условиях завода "Зенит", рамках профаммы поддержки научных исследований Международно) Научного Фонда Сороса был получен индивидуальный гранг.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является определение вли ния темпера1уры и состава алюминиево-кремниевых долиотектическ1 сплавов на их свойства в жидком состоянии и в период кристаллизации,

также теоретическое обоснование полученных данных на основе анализа процесса переноса заряда между атомами компонентов сплава, образующих области микронеоднородности.

При выполнении работы были решены следующие задачи:

- экспериментально установлены закономерности влияния температуры и состава на плотность расплавов долиотектическнх концентраций системы Al-Si Методом у-проникающего излучения;

- экспериментально определен характер влияния температуры и состава на кинетические характеристики роста а твердого pací вора в период кристаллизации сплавов долиотектическнх концентраций системы Al-Si методом компьютерного термического анализа;

- проведена термодинамическая оценка температурных областей структурных превращений, происходящих в расплавах долиотектических концентраций системы Al-Si;

- проведен расчет температурной границы растворимости в долиотектических сплавах систем Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Au, Al-Ca, Al-Mn, Al-Fe, Al-Ni, Al-Со, Al-ln, Al-Ge, Al-Pb, A)-Sb, AJ-Sc na основе анализа процесса переноса заряда между атомами их компонентов.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. В качестве объекта исследования в диссертационной работе использованы долпогекгические сплавы системы Al-Si, так как эта система является основой большого класса промышленных систем, и для нее в эвтектической области диаграммы состояния установлены структурные превращения в расплавах.

ГИПОТЕЗА. Предполагается, что в областях микронеоднородности долиотектических расплавов существуют различные типы межатомной связи, образованные посредством переноса заряда между атомами компонентов расплава.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, В работе использованы следующие методы; метод у-проникающего излучения, метод термического анализа,

метод определения текучести расплавов, метод расчета кинетик» кристаллизации, термодинамический метод.

»ЛУЧНАЯ НОВИЧКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАСОТЬГ заключается t том, что впервые изучено влияние температуры и состава на плотность t кинетические-характеристики роста твердой фазы сплавов, относящихся ь долиотектмческой области диаграммы состояния Al-Si. При этом бьш: получены следующие оригинальные результаты:

!. Методами f-проннкающего излучения по измерению плотности жидкою состояния и компьютерного термическ0!0 анализа процесса кристаллизации сплавов в интервале температур 973-1)73 К в расплавах долиотектических концентраций кремния системы Al-Si экспериментально установлены два структурных превращения.

2. Экспериментально установлены аномальные изменения плотности, кинетических характеристик процесса кристаллизации, текучести в расплавах долиотектических сплавов системы Al-Si при концентрациях кремния 0.7-0.9%(масс.).

3. Проведена термодинамическая оценка температур протекания струетурных превращений в расплавах долиотектических концентраций кремния системы Al-Si, на основе которой показано, что структурные превращения связаны со свойствами областей микронеоднородности, образованных в результате переноса заряда от атомов алюминия к атомам кремния.

4. Проведены расчеты температурных границ растворимости в системах систем Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Au, Al-Ca, Al-Mn, Al-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-In, Al-Ge, Al-Pb, Al-Sb, Al-Sc, на основе которых оценен характер межатомной связи разноименных атомов в областях микронеоднородности. Установлены наиболее вероятные типы связей, образованные посредством переноса заряда между атомами компонентов систем в областях микронеоднородности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ,

ссперименталыю определенные температурные интервалы аиомалий-ютности расплавов могуг служить основой для построения структурных гаграмм жидкого состояния, знание которых необходимо при унрав-!нии процессом формирования свойств твердой фазы на стадии »кристаллизационного периода. Эти результаты могут быть полезны при врабогке технологий высокотемпературной обработки расплавов с глью оптимизации свойств материалов, используемых в металлурги-:ском производстве н машиностроении. Анализ nina межатомной связи в эластях микронеоднородности в жидком и жидко-твердом состояниях плавов алюминиевых систем может быть интересен для специалистов, шимагощнхся кинетикой образования фаз. Развитый в диссертационной абоге метод расчета температурной границы растворимости может найти рименение при разработке методов прогнозирования физико-химических войств сложных промышленных систем деформируемых сплавов. Термо-;инамический подход к оценке температур структурных превращений, 'снованный на учете переноса заряда между атомами компонентов •асплава в областях микронеоднородностп, может быть полезем для :пециалистов, работающих в области термодинамики жидкого состояния

Материалы, связанные с исследованием процесса кристаллизации, •югут быть использованы для постановки лабораторных работ по курсам 'Теория формирования отливки", "Теория литейных сплавов", читаемых в белорусской государственной политехнической академии.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке новых технологических процессов получения высококачественных деформируемых, упрочняемых и неупрочняеммх термообработкой сплавов. Экспериментально полученные закономерности по влиянию температуры перегрева расплава на плотность и кинетические характе-

ристики роста твердой фазы могут быть использованы при разработке систем управления формированием свойств сплавов.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1 Результаты экспериментальных исследований влияния температуры и состава на плотность и кинетические характеристики роста твердой фазы сплавов долиотектических концентраций системы Al-Si.

2. Рвзуль/агы термодинамических расчетов температурных интервалов структурных превращений в расплавах долиотектических концентраций системы Al-Si, полученные на основе анализа процесса переноса заряда от атомов алюминия к атомам кремния в областях микронеодно'родностя.

3. Расчет н моделирование температурных границ растворимости бинарных алюминиевых систем Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Au, Al-Ca, Al-Mn, Al-Fe, Al-Ni, AJ-Co, Al-In, Al-Cie, Al-Pb, Al-Sb, Al -Sc.

,1НЧИЫ11 ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ. Соискателем самостоятельно выполнены все эксперимен гальные исследования расплавов с использованием метода у-проникающе!о излучения, метода термического анализа, метода определения текучести сплавов, проведены термодинамические оценки температур структурных превращений, расчеты температурной границы растворимости для бинарных алюминиевых систем. Соискателем разработаны программа по обработке кривой охлаждения с вычислением параметров роста твердой фазьг при фазовом переходе «жидкость-твердое тело», программы расчета температурной храницы растворимости, термодинамического потенциала для бинарных сплавов. Публикации по диссертационной работе выполнены совместно с научным руководителем и д.т.н., профессором Соболевым В.Ф.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ Результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях "61st World Foundry Congress" (Beijing, China, 1995),

Ьследственность в литых сплавах" (Самара, Российская Федерация, '93), а также на семинарах профессорско-преподавательского состава • :лорусской государственной политехнической академии, Белорусского 1сударсгвенного университета.

ОПУБЛИКОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ По мате-■шш диссертации опубликовано 10 работ, включая 8 статей, 2 тезиса окладов на научно-технических конференциях.

СТРУКТУРА H ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из ведения, общей характеристики работы, четырех глав, списка исполь-ованных источников и одного приложения. Диссертация изложена на 79 "границах машинописного текста и содержит 43 рисунка, 12 таблиц. Список использованных источников заключает 188 наименований, ¡олный объем диссертации составляет 175 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена оценка современною состояния проблемы макрокмгетики и теплофизики микронеоднородного «роения металлических расплавов; представлены обоснование необходимости проведения исследований в данной области, а также основание для -разработки темы диссертации.

В обшей характеристике работы обосновала актуальность темы диссертации, показана связь работы с крупными научными программами, определены цели и задачи исследования, представлены объект исследования, гипотеза, методы исследования, научная новизна, практическая и экономическая значимость полученных результатов работы, показан личный вклад соискателя в разработке темы диссертации, степень опубликован«ости и апробация результатов работы, структура и обг,ем диссертации.

О иершш главе представлен анализ проблем, связанных с «линии микронеоднородного строения расплавов на физические свойства мет:

металлических расплавов под действием внешних факторов. Привед анализ молекулярных моделей расплавов, теоретических представлений природе структурных превращений, показано влияние ближнего порядка электронной структуры компонентов расплавов на их свойства il) высоких температурах, Определены задачи, решение котор! обуславливает необходимость проведения исследования в данной облает Во втором главе описаны экспериментальные теплофизичесы методы исследования сплавов в жидком состоянии и при фазово переходе «жидкость-твердое тело»: метод у-проникающего излученг измерения плотности расплава, метод компьютерного термическо! анализа процесса кристаллизации по определению термовременны зависимостей процесса кристаллизации, метод измерения текучест сплавов. В качестве объекта исследования в работе были использоваш расплавы Al-Si с содержанием кремния 0.1, 0 2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.Í 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 1 6, 1.65, 1 7, 1.8% (rio массе)

В главе представлено описание метода расчета кинетически парамегров роста твердой фазы при фазовом переходе «жидкость твердое тело», основанного на решении следующей системы уравнений

лов и сплавов. Приведены сведения об аномальном изменении своис

3

где T{t)- экспериментально определенная функция кристаллизации гемпература-время»; CIL- отношение удельной теплоемкости к дельной теплоте кристаллизации, определяемое экспериментально по (t) как:

>бъемная функция роста твердой фазы; Л/3 - количество затравок s гдинице объема; <р - константа; v( г) - линейная скорость роста твердой

времена начала и конца кристаллизации, соответственно.

На основе анализа областей кривой охлаждения 7(0 в качестве кинетических параметров роста твердой фазы при фазовом переходе «жидкость-твердое тело» были выбраны следующие характеристики: максимальная линейная скорость роста твердой фазы в области переохлаждения а-твердого раствора; максимальная линейная скорость роста твердой фазы вблизи линии солидус; максимальное значение' функции у^) в области кривой охлаждения, соответствующей выделению пластинок кремния из расплава при неравновесной кристаллизации; максимальное значение объемной скорости роста твердой фазы в области переохлаждения а-твердого раствора; значение константы Ка\ отношение удельной теплоемкости к удельной теплоте кристаллизации сплава (С/Ъ); максимальное значение второй производной температуры по времени в области переохлаждения а-твердого раствора. В главе представлена статастическая оценка погрешности измерения всех анализируемых параметров.

фазы; У о - объем металла; Тс - температура среды; t -время; 1ц,, t.

"11Г1

а)

Арро,%

б)

Рис. Зависимость плотности (а) и линейной скорости роста твердой фаз! (б) от температуры перегрева расплава. I- АН 0,2" 081, 2- АП0,4%81, 3 ЛП0,6%81

В третьей главе представлены результат экспериментальных с следований структурных превращений в расплавах Al-Si при эволюции-емпературных и концентрационных полей. Установлен характер влияния емпературных и концентрационных полей на плотность расплавов Al-Si и инетические параметры роста твердой фазы при фазовом переходе (жидкость-твердое тело». Методом "/-проникающего излучения в »сплавах AifO,2%Si,' Al+0,4%Si, Al+0,ó%Si, AH0,8%Si, Al+l,0%Si, \14,2%Si в температурном интервате 973-1173K установлено два ¡труктурных превращения, приводящих к аномальному изменению тлотности расплава (рис.). Определены температурные интервалы первого л второго структурных превращений для каждого изученного сплава. Показано, что перегревы расплавов вблизи температур структурных превращений приводят к максимизации кинетических характеристик роста твердой фазы, что связано с микронеоднородным строением расплава. Микронеоднородное строение долиотектических сплавов системы Al-Si подтверждается немонотонным характером изменения экспериментальных температурных и концентрационных зависимостей плотности жидкого состояния, кинетических параметров, связанных с линейной скоростью роста твердой фазы, отношения удельной теплоемкости к удельной теплоте кристаллизации, текучести. Экспериментально установлено, что в долиотектической области диаграммы состояния Al-Si при содержании кремния 0.7-0.8%(по массе) плотность расплава, отношение удельной теплоемкости к удельной теплоте кристаллизации принимают минимальное значение. Установлено, что в долиотектической области диаграммы состояния Al-Si в интервале концентраций кремния 0,7-0,8% параметры роста твердой фазы вблизи линий фазовых равновесий, а также значений второй производной температуры по времени в области наибольшего переохлаждения а-тпердого раствора принимают максимальное лтчепие.

В четвертой главе представлены результаты термодинамических оценок температур структурных превращений в жидком состоянии долиотектических расплавов Al-Si, проведенных с учетом переноса заряда от атомов алюминия ¡с атомам кремния в области микронеоднородности. Приведены расчетные данные по моделированию температурных границ растворимости бинарных твердых растворов алюминиевых систем, полученных на основе анализа характера их микронеоднородного строения. Оценка температур структурных превращений проводилась на основе термодинамического потенциала Гиббса с учетом параметра взаимодействия, записанного в приближении Моргулеса: F™n(x,T)=(\-x~w)Fj+{x-*)Fj + v(FN^ +FN )+RT ■

•|;i~.>r-M')ln(l-Jí-M')+(JC->e)ln(*~w)+2wln( tv)] t- Lm(\ - x - w)(x- w) Lm - a - pT ,p = (\-x~ w)S. + (дс - w)Sj + w

где F„F/ - термодинамические потенциалы Гиббса жидких фаз i-ro и j-ro компонентов в ш-ой фазе; х - атомная доля компонента j; Т - температура; R - универсальная газовая постоянная; í.™ - параметр взаимодействия компонентов i и j в m-ой фазе; FU ,FN¡,SN ,SN¡- термодинамические потенциалы Гиббса и энтропии атомов компонентов бинарного сплава в области микронеоднородности; а - энтропийная составляющая параметра взаимодействия; w- доля атомов компонентов сплава, образующих области микронеоднородности.

При расчете термодинамического потенциала Гиббса для компонентов расплава, образующих области микронеоднородности, использовались значения энтальпий и энтропии элементов с электронными конфигурациями, возникающими у атомов алюминия и кремния при переносе заряда. Показано, что струюурные превращения в долиотектнческих расплавах Al-Si можно объяснить переходом от одного

та связи атомов, формирующих области мнкроцеоднородноаи, к угому Показано, что при температурах ниже температур первою >уктурного превращения и выше температур вюрого структурного еврагдения наиболее верояжо образование областей исронеоднородности со связью атомов тина AtJSi" (где знак "d" называет, что атом алюмнння являася донором, знак "а" - агом ем ни я - акцептором).

Таблица

Экспериментальные и расчетные температуры аномалий плошости расплавов сииемы Al-Si

i.% т,ш„ к Тр^н. ^ Ошибка, о S¡,% Г.....К Тц.ц.4! ЬС Ошибка,

).2 1033±20 999,98 з"..... 0,8" 1040120 999,97 4

1113±20 1135,49 2 1123.110 1139,08 1

:).4 1045120 999,99 4 1.0 1023120 999,97 2

1093±20 1137,78 4 1080125 1140,65 5

06 1040120 1000,0 4 1,2 1058115 1000,01 5

1113±20 1139,01 2 1118115 1141,19 2

) интервале температур между температурами первою и второю :труктурных превращений наиболее вероятно образование областей ¿икронеоднородности со связью атомов типа Al2JSila. Сравнение ¡асчетных и экспериментальных данных rio темнерагурам структурных превращений показало их хорошее согласование (табл ).

Представлены результат расчеюв темперагурной фаницы растворимости бинарных а-тнердыч растворов систем Al-Si, Al-Mg. Al-Cu, Л1-Ап, Al-Ca, Al-Mu, Al-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-ln, Al-Gtí. Al-Pb, Al-Sb, Al-Sc на основе макрокинсгическои зависимости, описывающей положение

температурной границы растворимости в бинарной системе Л-В с учетом доли атомов, участвующих в переносе заряда при образовании областей мнк(к>неоЛ1юродности. Установлены наиболее вероятные типы связей атомов компонентов a-твердого раствора в областях микронеоднородности. Показано, что для системы Al-Si наиболее вероятен перенос заряда ог атомов алюминия к атомам кремния Al11 Si" .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУ ЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1.Экспериментально установлено и теоретически обосновано наличие областей мнкронеоднородности в сплавах системы Al-Si для долиотектических концентраций кремния в различных температурных интервалах.

2. Методом проникающего у-излучения в расплавах долиотектических концентраций системы Al-Si в температурном интервале 973-1173К установлено два структурных превращения, приводящих к аномальному изменению плотноеги расплава. Определены температурные интервалы первого (Ti) и второго (Тп) структурного превращения для сплавов Al+0,2%Si (Т, = 1033±20К, Т„ =1113±20К), Al+CI,4%Si (Т, = :1045±20К., Тп =1093±20R), AU0,6%Si (Т, = 1040±20К, Тп =ШЗ±20К.), AH0,8%S¡ (Т, - 1040±20К, Т„ =1123±10К), Al+l,0%Si (Т, = I023±20K, Trf =1080±25К), Al+l,2%Si (Т, = 1058±t5K, Тц =1118±15К), где знак указывает на нижнюю границу температурного интервала, а знак "+" -верхнюю.

3. Экспериментально установлено влияние температуры жидкого состояния на характеристики роста твердой фазы долиотектических

сплавов AI-n%Si (п-0,1-1,65% (масс.)):

т vtn

T~*1f1/L + ni ' 1 (/, + а ) / а

v7' -»т „ „ (максимальные линейные скорости роста твердой фазы a /{a +Si)

близи температур структурных превращений приводят к макснмишщи тих характеристик:

r->r,,!Ltu

т Шг

Г- тг1и

,т

т 7--» шх V™

1 —► ] Л «

1>тггн

-* ШХ ,

4 Установлено, что атомы кремния ь долиогектическнх сплавах :ист«мы A!-Si локалтуюкя в виде областей микронеоднородностн в кндком и жидко-1вердом сосюяниях, что подтверждается немонотонным тарактером изменения экспериментальных темперагурных зависимостей

I, 11,\ а '-*а+а)1а *'ai(ui-Si)

*р/р,гЦТ) и концентрационных зависимости _ 4i%Si),

' '' I. ¡ I. i а

v"! v» -f(%SÍ), Ap.',b-f(%Si), Cl. =

M(/.tíí),'a 1 'a/(a+Si)

f(%Si), I.-f(%Si)

5. На основе термодинамического потенниа-та f иобса f í (x, Г, w, Fai , Fsi , F , F j , 1-"'). учитывающего вынмо.тейавие

атомов алюминия и кремния в областях микронеоднородностн, проведены расчеты температур 1 и II структурных превращений расплавов системы Al-xSi (х^О,2-1,2(масс %)), которые согласуются с результатами эксперимента Термодинамически показано, чго первое структурное превращение обусловлена переходом AI^Si" ».т/ 2í'.Vi2а, втрое структурное превращение - переходом Alhi.Si2" * AlJ Si"

6 Построена структурная дна|рамма областей микронеоднород-iiociH долшнектических си.шпон г) н.гишквидусион част диаграммы состояния Al-Si на основе жеперимет.ьп.но определенных течнгрл-rv рных HHiepitiiKiH протекания с: рук г урны к превращений в p.:i— ¡язе

7. На основе расчетных и экспериментальных данных лля leMiicpaiypnoFi ipaiimtM растворимости системы Al-Si показано, что в or( Al -Si) твердых растворах в области микронеоднородносги- между атомами алюминия и кремния происходит перенос заряда с образованием свяи! типа Al'Si".

8. Па основе расчетов температурной границы растворимости в бинарных системах А1-Х проведена оценка различных вариантов переноса заряда между разноименными атомами, образующими области микроиеоднородностн. Показано, что в областях микронеоднородности твердых растворов а(А1-Х) реализуются связи типа

{s* (d]0s^р^ ){A\-Ag), AI{s2pl )Mg(52/?°)(Al-Mg), Я/(лУ X 4</"V)(AI-Cu). Al(s2p] )Au(d[V)(Al-Au), Al(s2pl)Ca(slp°) (Al-Ca), /1// (52)Л/n,<7 (tí10j2) (Al-Mn), ,W2V/>3)Sb2V0*V) (Al-Sb), Al"(s2p2)FeJ{s2d5) (Al-Fe), AI$(s2p2)Ni(s2d5) (Al-Ni), Al2(J p° )Co2a s^ )(Al-Co), AI20 (s2 pJ )/n2^(c/'°j')(Al-ln), Al2a{s2P3 )Ge2,i{S2d10) (Al-Ge), Al(s2pl )Pb2a (dX0s2p2)(Al-Pb), Al(s2pl)Sc(dls2) (Al-Sc).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Чичко А.Н., Соболев В.Ф., Юркевич Н.П. Исследование структурных превращений в расплавах Al-Si методом проникающего излучения и компьютерного термического анализа// Теплофизика Высоких Температур. - 1996. -Т.34.-№ 1. - С. 155-159.

2. Чичко А.Н., Юркевич Н.П. Об электронном механизме структурных превращений в расплавах системы Al-Si// Расплавы - 1994,-№ 4,-С. 18-22.

3. Чичко А П., Юркевич Н II Исследование процессов растворения id-элементов на основе параметров модели Колмогорова// Расплавы 1994 - № 6 -С.3-8

4 Чичко А Н , Юркевич II II О вшимосвязи электронного сфоення тегирующего элемента с параметрами зародшнеобразования итверлого эаствора// Расплавы -1994 - № 1.-С 3-7.

5 Юркевич Н П Управление модифицированием силуминов на эснове аналта энергии активации образования кристаллов а-тнердого раствора и эвгекгики// Наелеловеиноеть в липах сплавах lei докл ьонф •Самара, 1993 - С 98-99

6 Чичко А И , Юркеьнч II П Об образовании новых мекгрониих состояний в эыектиках/'Фнэика Твердого Тела - 1991 - Т 3ft - Мй 3-С 785-791

7 Чичко А 11 , Юркевич НИ, Соболев В Ф К" вопросу о природе сгрукгуриых превращений в расплавахMet а. мы 1995 - Nj 6 -С 16-20

8 Чичко АН, Юркевич II II О вшимосвязи электронных кон-фшураций компонен1ов двойныч спаем со скоростью роста крнсгал.шн'. Фишка Твердо! о Тела - 1993 -Т35-№1 -СЮ4-108

9 Clncliko А . Burovik l\, Sobolev V , Yuike\icli N Physical model ot solid solulion of Al-Si sybieins/V Proceeding of llie 61st woild foundry congress - Beijing, China, 1995 - P 383-391

10 Чичко All, Юркеьнч 111) О роли поверхностных состоянии межфазнмх ipamm эшектичесьих chcicm в формировании лиа1рамм состямня, 11онерхнос1Ь Фишка Химия Механика 1945-№6 -С35-40

г {

rj п

РЕЗЮМЕ Юркевнч Наталья Петровна «Макрокпнешкй проораспнчпю-прсменных jDO.imiuiii температурных и концентрационных полей при структурны* превращениях в расплавах Al-Si»

Ключевые слова: расплав, параметры кристаллизации, аномалии свойств, плотность, a-твердый раствор, перенос заряда, термодинамика, микронеодпородносчъ, температурная граница растворимости. Обьею исследования: расплавы Al-Si.

Цель работы: определение влияния температуры и состава алюминнево-кремниевых долиогектических сплавов на их свойства в жидком состоянии и в период кристаллизации, а также теоретическое обоснование полученных данных на основе анализа процесса переноса заряда между атомами компонентов сплава, образующих области микронеоднородности.

Методы исследования: метод у-проникающего излучения, метод термического анализа, метод определения текучести расплавов, метод расчета кинетики кристаллизации, термодинамический метод.

Изучено влияние температуры и состава сплавов долиотектической области диаграммы состояния Al-Si на плотность и кинетические характеристики роста твердой фазы. На основе анализа аномального изменения свойств жидкого и жидко-твердого состояний долиотектических сплавов в температурном интервале 973-1173 К установлено два структурных превращения Представлены результаты термодинамической оценки температур структурных превращений, проведенной на основе учета различного переноса заряда между атомами алюминия и кремния в областях микронеоднородности. Показано, что структурные превращения в долиотектических расплавах системы Al-Si

зязаны со свойствами областей мнкронеоднородноегн, обраюванных в езультaie переноса заряда от атомов алюминия к агомам кремния 1редставлены конкретные типы связей разноименных аюмов в областях нкронеоднородноаи для долнотектнческих сплавов систем систем Al-Si, Л-Mg. Al-Cu, Al-Au, Al-Ca, Al-Mu, Al-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-ln, Al-Ge, Al Pb, il-Sb, Al-Sc. Результаты работы ii[>eдставлкюг интерес «гш специалистов, яботающих а области термодинамики и кннегнки обраювання фат

Р)НОМЕ !Оркеа1м На галлн Питроуня «Макракшетыка прасгорана-часоиых шк.тюцый иппкрату рнш i каш(1|1гр»мыГ|ных палеу при структурны! iit-payi партии* у расплавах AI-SI»

Ключавыя слоаы: раснлау, параметры крынма.н lauui, ананалИ )лас:н-ваецей, шчылытасць, сс-цяерды раствор, иер.нюс «раду, прмадыниыиа, м1кранеаднароднасць, температурная мяжа растиральнасш. Аб'«кт даследаваннн: расплавы Al-Si

Ми а праиы: вызиачэнне уплыву пмпературы i caciaay алммннеаа-крзмяневых далеатзктычних ciuiaaaf на ix улаанвасщ у вадмм ciane i при кришшнзаванш, а таксама гэарыгычнае абтрушавапне атрыманых дан их на аснове аналЬу працэса пераносу заряда пам1ж агама/ni камнаненга? сплава, утвараючых вобласш м1кранеаднароднасш

Мегады дасследавання: метад у-прашкальната выпраменьвання, метад тзрш'чнага анаш'зу, метад вызначэння цякучасц/ расплаву, метад раш'ку KfíieiMKi крьшпалтзавання, прмадинам/чны метад

Вывучаны уплыу пмпержуры i саставу ситакау далее гэктичнай воблааи дыяграммы стану Al-Si на шчыльнасць i мнггычния характарыстык! росту цвердай фазы На аснове анадпу ;:нз»^аыкиа

«мянсння уласшвасцей валка!a i вадка-цвердага стану далеатзктычных сшжвау у температурным шгэвале 973-1173 К устаноулена два структурных пераутваришя. Прыведэены вьним прмадынампшш ацнвд температур ефуктурных пераутварэнняу, праведзенай на. асновс у;н'ку pomara пс|>еносу зараду пам1ж пгамач| алюмпшо i крэмшю у абласцях мшранеалпаролнасш. Накатана, ппо струюурныя пераугварэнш у лалсапктычных расплавах астэмы Ai-Si связаны з уласшвасцямг абласцей мжрзнеалнаролнасш. утвораных у вышку пераносу зараду ад а<амау алтомпию да атамау крэмшю Прадстаулены канкртгныя тыпы сувлтей ратна1менных атамау у абласцях мжранеаднароднасш для далеатзктычных енлавау аспм AI-Si. AI-Mg, A!-Cu, Al-Au, Al-Ca, AI-Mn, A!-Fe, Al-Ni, Al-Co, Al-ln, Al-Ge, Al-Pb, Al-Sb. Al-Sc. Bmimki працы уяуляюць iiuapic для спецьшнсгау, яюя працуюць у галше гэрмадынамтз i кшетыю утварэння фаз

SUMMARY Yurkevich Natalia Petrovna «Macrokinetics of the space-time evolutions of temperature and concentration fields at the structural transformations in the AI-Si melts»

Key words: melt, crystallization parameters, anomalea of propeities, density, ot-solid solution, charge ttansfer, thermodynamics, microheterogeueity, tempe-ratural boundary of solubility. Object: Al-Si melts.

Aim: the definition of influence of temperature and composition of the up to liotectic point of Al-Si alloys in liquid and liquid-solid state and theoretical explanation of the data oft the bases of analysis of the charge transfer between atom of components into the microheterogeneity regions.

iethods: X-ray radiation method, (henna/ analysis method, definition of yield lethod, kinetic of the crystallization method, thermodynamics method.

The influence of temperature and composition of the up to liotectic point Hoys of the Al-Si state diagram on density and kinetic characteristics of solid iiase growth is studied. Two structural transformation is established by analysis f anomalous changing of properties of liquid and liquid-solid state of the up to iotectic point alloys in the interval of temperature 973-1173 K Results of the hemodynamic estimation of the structural transfonnation temperature based on he account of the different charge transfer between aluminium atoms and .•ilicium atoms into the microheterogeneity regions are presented. It is shown hat the structural transfonnation in the melt of the up to liotectic point alloys of he Al-Si system are connected with the properties of microhcterogeneity regions formed us result of the charge transfer from aluminium atoms to cilicium atoms Hie concrete types of bonds of different atoms in the microheterogeneity regions for (he up to liotectic point alloys of the Al-Si. Al-Mg, Al-Cu, Al-Au, Al-Ca, Al-Mn, Al-Fe, AJ-Ni, Al-Co, Al-Jn, Al-Ge, Al-Pb, Al-Sb, AI-Sc systems are presented The resuks of this work are interested for specialists studying thermodynamics and phase fonnation kinetics.