2000–2002 гг. «Исследование термодинамических свойств жидких сплавов и моделирование фазовых равновесий в системах на основе переходных металлов»
Номер госрегистрации 0100U001550
Руководитель к.х.н., доц. Турчанин М.А.
Исполнители к.т.н., доц. Фесенко А.Н., м.н.с. Агравал П.Г., инж. Сафронов Л.А., инж. Григоренко Е.А., лаб. Абдулов А.Р., лаб. Сидоров В.П.
Отчет содержит 195 страниц, 17 таблиц, 158 источников, 54 рисунка, 1 приложение
Целью проделанной работы является: исследование методом высокотемпературной калориметрии теплот образования жидких сплавов железа и кобальта с медью и жидких сплавов кобальта, никеля и меди с цирконием; установление на основе полученных результатов и имеющихся в литературе информации закономерностей энергетики сплавообразования в жидком состоянии; сопоставление термодинамических свойств с видом диаграммы состояния; моделирование температурно-концентрационной зависимости термодинамических свойств сплавообразования в рамках математических и феноменологических моделей; моделирование стабильных и метастабильных фазовых равновесий в исследованных системах.
Исследования теплот образования металлических расплавов были проведены при помощи высокотемпературного изопериболического калориметра собственной конструкции. Для решения поставленных задач авторы предприняли калориметрическое исследование теплот образования сплавов в бинарных системах: медь-железо, медь-кобальт, кобальт-цирконий, никель-цирконий, медь-цирконий. Все полученные результаты описаны уравнениями концентрационных зависимостей и представлены в виде, удобном для хранения в компьютерном банке данных.
Сопоставление между собой собственных результатов и литературных данных указывает на то, что с ростом температуры энтальпии смешения в системах с Cu-Fe и Cu-Co уменшаються, а в системах Co-Zr, Ni-Zr и Cu-Zr – становятся больше. Избыточная теплоемкость смешения отрицательна в системах с преимущественным взаимодействием однотипных атомов и положительна в системах, в которых в основном взаимодействуют атомы разного типа.
В системе Cu-Fe для построения моделей температурно-концентрационной зависимости термодинамических свойств компонентов использованы модели с термодинамически адаптированными полиномиальными функциями. Параметры моделей были найдены с использованием собственных экспериментальных результатов и литературных данных. Полученные модели позволили с высокой точностью описать стабильные и метастабильные фазовые равновесия и термодинамические свойства жидких и твердых растворов. Показано, что концентрационные границы образования пересыщенных твердых растворов, получаемых при закалке из жидкости, могут быть объяснены в рамках термодинамического анализа.
В системах Co-Zr, Ni-Zr, Cu-Zr для построения моделей температурно-концентрационной зависимости термодинамических свойств жидких сплавов использована теория идеального ассоциированного раствора. Полученные модели не только описывают известные экспериментальные данные, но и позволяют провести экстраполяцию термодинамических свойств расплавов на не изученные экспериментально интервалы температур и концентраций, в том числе и на температуры, соответствующие сильному переохлаждению расплавов.
Полученные модели температурно-концентрационной зависимости избыточных термодинамических свойств расплавов Co-Zr, Ni-Zr, Cu-Zr были использованы при расчете метастабильных фазовых равновесий переохлажденной жидкости с твердыми растворами на основе чистых компонентов. Для проведения этих расчетов в рамках CALPHAD-метода были построены модели свободной энергии Гиббса ГЦК, ОЦК и ГПУ твердых растворов с использованием литературных данных о фазовых равновесиях. Установлено, что концентрационные границы аморфизации определяются положением метастабильных линий ликвидус и линий T0Ж/ГЦК и T0Ж/ОЦК при температурах стеклования.
Результаты работы могут быть использованы в справочных изданиях, банках термодинамических данных, в работе специалистов в области направленного поиска материалов, обладающих определенным комплексом физико-химических свойств. Результаты работы также представляют интерес в теоретическом плане, так как позволяют понять природу взаимодействия компонентов расплавов на основе переходных металлов.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ЭНТАЛЬПИИ СМЕШЕНИЯ, ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РАСПЛАВЫ, ТЕОРИЯ ИДЕАЛЬНОГО АССОЦИИРОВАННОГО РАСТВОРА, CALPHAD-МЕТОД, ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ, МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ
Содержание отчета (.pdf)