РАСПЛАВЫ
4 · 2019
УДК 539.2:532.7:536.42:534.6
СВЯЗЬ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ЛОКАЛЬНОЙ СТРУКТУРНОЙ
ПЕРЕСТРОЙКОЙ В НЕРАВНОВЕСНОМ РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ
© 2019 г. В. Б. Воронцовa, *, В. К. Першинa
aУральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС),
факультет естественных научных дисциплин, Екатеринбург, Россия
*e'mail: vadimalumin2013@ya.ru
Поступила в редакцию 16.07.2018
После доработки 03.11.2018
Принята к публикации 11.12.2018
Получены и проанализированы экспериментальные результаты исследования за
висимости энергии и числа сигналов акустической эмиссии (АЭ) от температуры
расплава в интервале температур 680-860°С. Установлена связь акустической эмис
сии со структурными изменениями в жидких металлах на примере расплава алюми
ния. Приведены модели кластеров.
Ключевые слова: кристаллическая структура, модель кластера, градиент температуры,
расплав, металлы, акустика.
DOI: 10.1134/S0235010619040145
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена экспериментальному обоснованию локально кла
стерной модели строения “жидкой” фазы, возникающей на температурной оси вслед
за упорядоченным состоянием, и обсуждению на ее основе причин способствующих
образованию при охлаждении локального порядка в области глобального беспорядка.
Сведения о том, что кристаллизация веществ, обладающих кристаллической структу
рой сопровождается акустической эмиссией (АЭ) известно давно [1-8]. Установление
генетической связи твердой и жидкой фаз на основании анализа сигналов АЭ пред
ставляется важным условием, позволяющем на стадии подготовки расплава управлять
структурой литья. Структура литья определяет его физические свойства, к тому же
управлять структурой расплава температурным режимом проще, чем твердой фазой.
Так как сигналы АЭ наблюдаются при фазовом превращении, появляется новая мето
дика исследования жидко твердого состояния, которая расширяет наши знания о ме
ханизме перехода жидкого в кристаллическое состояние. С практических позиций за
ниматься исследованием АЭ необходимо, потому что появляется новый, ранее не ис
пользовавшийся, рычаг воздействия на расплав в резонансе с частотами генерируемыми
расплавом. Факт увеличения механических и других физических свойств литья введе
нием в расплав ультразвука известен, но он является энергоемким и не нашел широ
кого использования. Введение ультразвука в резонанс с генерируемыми сигналами АЭ
позволит достичь того же эффекта с меньшими энергетическими затратами. Выше пе
речисленные причины послужили основанием для получения информации о струк
турном состоянии расплава на основании Фурье анализа акустических сигналов (АЭ),
генерируемых расплавом в различных условиях. В качестве объекта исследования ис
пользован высокочистый алюминий в температурной области на 200° превышающей
его температуру ликвидуса.
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
337
(7) осциллограф
(3) пьезо-
преобразователь
(6) усилитель
(10) аргон
(9) теплоэкран
(5) регистратор
(8) ПК
температуры
(2) тигель с расплавом
(2)
(4) регулятор температуры
(1) нагревательная печь
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования акустической эмиссии при плавлении и кристалли
зации металлов.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для решения поставленной задачи на установке (рис. 1) проведена серия экспери
ментов с расплавленным алюминием чистотой 99.999 в тигле из нитрида бора BN в ат
мосфере спектрально чистого аргона. Образцы алюминия массой 26 г подготавливали
по размерам тигля.
После полного расплавления содержимого, в расплав вводился волновод в виде
стержня из Al2O3 со встроенной термопарой на половину высоты тигля. С холодного
торца волновод находился в контакте с пьезоэлектрическим преобразователем (поз. 3
на рис. 1) (ПЭП) с частотным диапазоном 20-200 кГц.
На установке для поддержания постоянной температуры расплава во время экспе
римента использовали высокоточный регулятор температуры (ВРТ) (поз. 4 на рис. 1).
Регистрация температуры расплава проводилась прибором (ЭПП 09) (поз. 5 на рис. 1).
338
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
Сигналы АЭ по волноводу достигали ПЭП и, после усиления АФ, поступали на ПК
(поз. 8).
Коэффициент усиления акустического тракта составлял 92 дБ (κ = 4 ⋅ 104).
В экспериментах температура расплава увеличивалась от температуры ликвидуса
алюминия до 840°С с шагом 20°С. При каждой температуре расплав выдерживали
30 мин. Система автоматического контроля температуры поддерживалась с точностью
±4°С. На ПК регистрировались сигналы АЭ из расплава в реальном масштабе времени.
Для анализа сигналов АЭ использовали программу JSVI [9] и MathCad [10].
Экспериментальные результаты вначале анализировались в аналоговой форме на
ПК, затем:
1. для всех температур устанавливалось число сигналов АЭ, превышающих фон. На
рис. 2 представлен типичный сигнал АЭ, сопровождающий плавление и его Фурье
анализ;
2. проводился Фурье анализ всех сигналов АЭ для каждой температуры. В соответ
ствии с результатами анализа, определялся коэффициент Сs, представляющий инте
гральную характеристику амплитуд А всех сигналов N определенной частоты f
τ
0
1
-iwsτ
C
=
f (τ)e
dτ,
(1)
∫
s
T0
0
2πS
w
=
s
⋅ w
=
,
(2)
s
0
T
0
где: τ0 - период сигнала, взятый за единицу, τ - время, ws - эквидистантные значения,
рассчитанные для комплексного коэффициента Фурье для точек s = 0, 1, 2, …, (N - 1).
По результатам анализа построены зависимости коэффициента Фурье Сs от частоты f
для всех температур расплава (подобно тому, как это дано на рис. 3). Для каждой тем
пературы расплава определялась полная относительная энергия Ео. е всех сигналов АЭ
за анализируемый период, интегрированием Сs по всем частотам. Результаты зависи
мости Ео. е от Т представлены на графиках рис.4 как при нагревании так и при охла
ждении расплава.
На рис. 5 приведена зависимость количества сигналов АЭ N от температуры расплава.
На рис. 6, 7 представлена зависимость числа сигналов АЭ N от времени перехода на
новый температурный уровень, как при нагревании, так и при охлаждении расплава.
Спектральный анализ показывает, что характер сигналов и их количество изменя
ются с увеличением температуры расплава. Эти изменения связаны с разупорядоче
нием атомов в расплаве, которое согласно [10, 11], не является однородным и состоит
из свободных атомов и кластеров (микро областей, сохранивших расположение ато
мов твердой фазы).
Настоящая работа рассматривает этапы появления сигналов АЭ и их эволюционное
развитие в связи с изменением температуры расплава на примере жидкого алюминия.
Все исследователи связывают появление сигналов АЭ с фазовыми превращениями
первого рода.
В настоящей работе и в [12] сигналы АЭ наблюдались при температуре, превышаю
щей температуру ликвидуса. В этом принципиальное отличие наших работ от преды
дущих исследований.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Наши эксперименты (рис. 6, 7) показывают, что уже после 8 мин от начала перехода
на новый температурный уровень в расплаве генерация сигналов прекращается вне
зависимости от начальной температуры расплава. Так как через 8 мин температура в
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
339
а
625
469
312
156
0
156
312
469
625
13656.97
13657.18
13657.40
13657.61
13657.82 13658.03 13658.24 13658.45 13658.67 13658.88 13659.09
Время, мс
б
0
40.78 кГц; 54.8 мВ
2
123.26 кГц; 43.9 мВ
4
52.04 кГц; 29.5 мВ
128.78 кГц; 28.7 мВ
6
8
92.11 кГц; 20.8 мВ
135.36 кГц; 19.3 мВ
10
64.22 кГц; 15.6 мВ
12
14
179.25 кГц; 11.2 мВ
16
18
20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Частота, кГц
Рис. 2. Сигнал АЭ при температуре 740°С (а) аналоговый сигнал; (б) Фурье анализ сигнала.
расплаве аппаратурно выравнивается можно утверждать, что акустическая эмиссия
является следствием температурного градиента в расплаве.
В нашем эксперименте охлаждение расплава наблюдалось со стороны стенок тигля,
отсюда можно предположить, что источником акустической эмиссии является темпе
ратурный градиент из за резкого изменение температурных условий в расплаве на
границе со стенкой тигля.
Измерения показали, что температурный градиент в расплаве между центром тигля
и его периферией всегда присутствует и равен G = 5°/cм, но в условиях термостата при
340
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
а
2.50 · 107
2.465 · 107
2.25 · 107
2.00 · 107
1.75 · 107
1.50 · 107
1.25 · 107
1.00 · 107
7.5 · 106
5.0 · 106
2.5 · 106
0
50
100
150
200
Частота f, кГц
б
1.50 · 107
1.35 · 107
1.20 · 107
1.084 · 107
1.05 · 107
9.0 · 106
7.5 · 106
6.0 · 106
4.5 · 106
3.0 · 106
1.5 · 106
0
50
100
150
200
Частота f, кГц
Рис. 3. Индекс Фурье Сs в зависимости от частоты для расплава при температуре (а) 740 и (б) 800°С.
отсутствии возмущений среды, нет повода для изменения ее физического состояния и
нет сигналов. Только при внешнем воздействии, при резком увеличении температуры
расплава, с неизменной температурой в центре тигля, начнется уменьшение плотно
сти расплава у внутренней стенки тигля, и в расплаве появится волна давления к цен
тру тигля, которая вызовет градиент плотности атомов, образовав кластер [13-15].
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
341
Eo.e. · 107
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
660
680
700
720
740
760
780
800
820
840
860
T, C
Нагрев
Охлаждение
Рис. 4. Суммарная энергия Ео. е для всех сигналов АЭ в зависимости от температуры расплава.
Eo.e. · 107
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
660
680
700
720
740
760
780
800
820
840
860
T, °C
Нагрев
Охлаждение
Рис. 5. Число N сигналов в зависимости от температуры расплава.
Она обуславливает появление сигналов акустической эмиссии АЭ в направлении
фронта волны, параметры, которых определяются, в первую очередь, градиентом тем
пературы и плотности расплава в соседних с кластером точках. В связи с тем, что плот
ность и степень локализации атомов в расплаве может быть различна, сигналы АЭ от
личаются по мощности и периодичности появления.
Выше мы описали стадию зарождения кластеров в расплаве, но это только начало
формирования твердой фазы. Конфигурация кластера определяется природой веще
ства и кинетикой процессов в расплаве.
В работе [6] подробно описан механизм формирования кластера на примере выра
щивания монокристаллов алюминия по методу Бриджмена в условиях вертикального
температурного градиента нормального фронту G град/см.
342
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
При нагревании от 700 до 840 С
100
90
T = 700 C
80
T = 720 C
70
T = 740 C
T = 760 C
60
T = 780 C
50
T = 800 C
40
T = 820 C
T = 840 C
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
10
15
20
25
30
Время выдержки расплава, мин
Рис. 6. Число сигналов АЭ в зависимости от времени нагревания расплава.
При охлаждении от 840 до 665 C
100
90
T = 710 C
80
T = 720 C
70
T = 740 C
T = 760 C
60
T = 780 C
50
T = 800 C
T = 820 C
40
T = 840 C
30
T = 680 C
T = 665 C
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
10
15
20
25
30
Время выдержки расплава, мин
Рис. 7. Число сигналов АЭ в зависимости от времени охлаждения расплава.
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
343
Отметим главное из работы [6]: конфигурация кластера имеет архитектуру связки
столбиков с квадратным основанием со стороной равной параметру решетки и высо
той, определяемой числом межплоскостных расстояний, на которую продвинулась
поверхность раздела до схлопывания свободного объема, появившегося при образова
нии кластера.
В настоящем эксперименте температурный градиент G составляет 12 град/см, а в
подобной работе [7] 30 град/см, поэтому интегральная энергия сигналов АЭ Ео. е в на
стоящей работе на порядок меньше.
На рис. 3 приведены для температур 740 и 800°С зависимости Сs от f, отражающие
особенности спектра АЭ для этих температур. Коэффициент Фурье Сs имеет физиче
ский смысл суммы амплитуд сигналов АЭ, см. (1).
Из рис. 4 следует, что ход зависимостей Ео. е от Т в температурном диапазоне 680-
840°С в основном повторяется при нагревании и охлаждении расплава при неболь
шом гистерезисе в температурном интервале 720-760°С. На обеих кривых наблюда
ются 2 максимума Ео. е в температурных интервалах 740-780 и 780-840°С (рис. 5). Ха
рактер спектра для температур 740 и 800°С (рис. 3) отличается по частоте следования
максимума Сs для температурных интервалов 680-780 и 800-840°С, соответственно.
На основании графика (рис. 3а) максимум Сs наблюдались в частотном диапазоне 20-
130 кГц с частотой следования 7-8 кГц и уменьшением Сs в частотном диапазоне от 20
до 100 кГц и увеличением от 100 до 130 кГц. Из наших экспериментальных результатов
(рис. 3а) следует, что зарождение кластера для этих температурных условий начинает
ся при частоте 123 кГц.
На рис. 3б приводится спектральное распределение Сs от f сигналов АЭ, наблюдае
мых в температурном интервале 800-840°С, откуда следует, что сигналы находятся в
частотном диапазоне 50-200 кГц с частотой следования максимальной амплитуды (Сs)
20 кГц и уменьшением амплитуд сигналов Сs во всем наблюдаемом частотном диапа
зоне. На основании экспериментальных результатов (рис. 3б) зарождение кластера
начинается при частоте 195 кГц. При f < 50 кГц сигналов АЭ не наблюдалось.
Из графиков зависимости Ео. е от Т (рис. 4) энергия сигналов акустической эмиссии
постепенно увеличивается с увеличением температуры расплава от температуры 680
до 760°С, а N сигналов практически не меняется. Предполагаем, что при этом все под
водимое тепло идет на удаление периферийных атомов кластеров слабо связанных с
его ядром, процесс не требующий больших энергетических затрат, поэтому число сиг
налов АЭ не меняется. При температуре 780°С вся тепловая энергия затрачивается на
разрушение ядра кластеров, а на эмиссию АЭ сигналов во много раз меньше, поэтому
наблюдаем резкое уменьшение интегральной акустической энергии сигналов. В рас
плаве возникает особое состояние присутствия как свободных атомов, не связанных
между собой, так и атомов сохранивших ближнюю связь, которая может быть как
между двумя, так и большим числом атомов. На их базе формируется новая структура,
которая не представляет дальнего порядка, так как основана на сохранившихся близ
ко действующих связях между атомами.
Наши представления о связи закономерности проявления АЭ со структурными из
менениями в расплаве в критических точках 780 и 800°С на рис. 4 согласуются с ре
зультатам работ [18, 19], где при нагреве чистых образцов жидкого алюминия в узком
температурном интервале близком к 800°С наблюдался скачок уменьшения вязкости,
что является, по мнению авторов, следствием перестройки низкотемпературной
структуры в высокотемпературную. При охлаждении жидкого образца обратно пере
стройка происходит при более низкой температуре, что свидетельствует о некой ста
бильности высокотемпературной структуры при низких температурах в тех же темпе
ратурных интервалах. Изменения в спектре АЭ в нашей работе наблюдались на графи
ках Ео. е от Т (рис. 4) при тех же температурах. Рентгеноструктурные исследования
344
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
2.0 · 107
1.8 · 107
1.663 · 107
1.6 · 107
1.4 · 107
1.2 · 107
1.0 · 107
6 · 106
6 · 106
4 · 106
2 · 106
0
50
100
150
200
Частота f, кГц
Рис. 8. Индекс Фурье Сs в зависимости от частоты для расплава при температуре 820°С.
[17, 19] показали, что при температурах 800-900°С в соответствии cо скачком вязко
сти происходит изменение структурных параметров жидкого алюминия, наиболее
сильно это проявляется на температурной зависимости кратчайшего расстояния меж
ду атомами r1 и координационного числа Z. По характеру изменения параметров r1 и Z
в этом температурном интервале происходит разрыхление расплава, обусловленное
уменьшением числа ближайших соседей в решетке алюминия.
При этом происходит изменение координации атомов в решетке. Рентгеновские
исследования [17] показали, что при температуре 800°С уменьшается кратчайшее рас
стояние между атомами r1 а положение первого S1 и особенного второго S2 максимума
на кривой интенсивности, что соответствуют гипотетической ОЦК решетке.
Из сравнения графиков (рис. 3а и 3б) при достижении расплавом температуры
800°С изменяется частотный спектр сигналов АЭ; так как акустическая эмиссия несет
информацию из расплава можно предположить о структурных изменениях в самом
расплаве. При достижении температуры расплава 800°С происходит бурное выделе
ние энергии и увеличение числа сигналов АЭ, потому что при формировании новой
структуры уменьшается число атомов в одном структурном элементе, а самих класте
ров становится больше.
При дальнейшем повышении температуры расплава новая структура (назовем ее
ОЦК подобной) начинает разрушаться при 820°С, что видно из анализа спектра на
рис. 8 (в частотном интервале 100-150 кГц появляются новые частоты). При дальней
шем повышении температуры расплава при 840°С (рис. 9) уменьшается интегральная
энергия сигналов Еo. e в 3 раза по сравнению с энергией Еo. e при 820°С, и не наблюдает
ся периодичности в спектре АЭ. При температуре 860°С отмечались отдельные сигна
лы АЭ. На основании приведенных данных можно заключить, что при этой темпера
туре происходит полное разупорядочение атомов в расплаве и его переход в атомное
состояние.
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
345
6.0 · 106
5.511 · 106
5.4 · 106
4.8 · 106
4.2 · 106
3.6 · 106
3.0 · 106
2.4 · 106
1.8 · 106
1.2 · 106
6 · 105
0
50
100
150
200
Частота f, кГц
Рис. 9. Индекс Фурье Сs в зависимости от частоты для расплава при температуре 840°С.
Проведен анализ спектра сигналов АЭ при снижении температуры расплава в ин
тервале 840-640°С. На основании анализа спектра в диапазоне температур от 840 до
740°С сохраняется ОЦК подобная структура, кроме температуры 780°С, при которой
распределение частот соответствует акустическому спектру, наблюдаемому при нагре
вании расплава с ГЦК структурой, что говорит о метастабильном состоянии расплава.
При анализе графиков зависимости числа сигналов от температуры (рис. 5) кривая
N от Т при охлаждении расплава лежит ниже кривой, полученной при нагревании в
температурном интервале 780-820°С, а число сигналов при максимуме энергии сиг
налов Еo. e при температуре 800°С меньше в 2.7 раза. Это связано с малой подвижно
стью атомов, необходимой для образования ГЦК структуры.
На рис. 4 в температурном интервале 760-720°С наблюдался гистерезис интеграль
ной акустической энергии сигналов Еo. e в цикле нагрев-охлаждение. В этом темпера
турном интервале, очевидно начинается при охлаждении формирование конечной
ГЦК структуры, процесс, требующий дополнительных энергетических затрат на сбор
ку ГЦК структуры.
На основании работы [16] проведен расчет частот f с максимальной амплитудой
сигналов АЭ (Cs) по соотношению
υ
f
=
,
(3)
a⋅n
где: υ = 5.9 скорость продвижения фронта волны в расплаве, мм/мин; n - число меж
плоскостных расстояний; а - параметр решетки алюминия, а = 4.05 ⋅ 10-7 мм при 680-
780°C, а = 2.025 ⋅ 10-7 мм при 800-860°C.
Ниже даны табл. 1 и 2, где приведены экспериментальные и расчетные данные f с
максимумами Сs для температур 740 и 800°С.
346
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
20 кГц
22 кГц
24 кГц
30 кГц
27 кГц
35 кГц
70 кГц
40 кГц
61 кГц
82 кГц
49 кГц
81 кГц
122 кГц
98 кГц
163 кГц
121 кГц
243 кГц
243 кГц
Рис. 10. Модели кластеров для температур (а) 740 и (б) 800°С.
На основании данных табл. 1 и 2 построены модели кластеров для двух температур
расплава 740 и 800°С (рис. 10) откуда следует, что геометрические размеры кластеров
при 800°С отличаются по объему в четыре раза. Различие в частотах сигналов в темпе
ратурных интервалах 680-780 и 780-840°С, отражают кинетические изменения в
структуре расплава. Переход от одного спектра (рис. 4а) к другому (рис. 4б) связан с
Таблица 1
Теоретические и экспериментальные частоты f сигналов АЭ
с максимумами Сs для температуры 740°С
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
f теор., кГц
243
121
81
61
49
41
35
30
27
24
22
20
f экспер., кГц
Вне исслед.
123
79
59
47
40
32
31
n/a
23
22
n/a
интервала f
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
347
Таблица 2
Теоретические и экспериментальные частоты f сигналов АЭ
с максимумами Сs для температуры 800°С
n
1
2
3
4
5
6
7
f теор., кГц
486
242
163
122
98
82
70
f экспер., кГц
Вне исслед.
195
149
124
102
80
65
интервала f
разупорядочением с температурой атомов расплава, которая приводит к перегруппи
ровке атомов в решетке алюминия.
Параметр новой структуры должен быть меньше чем у ГЦК, так как при разупоря
дочении ГЦК структуры могут остаться только ближние связи между атомами.
В нашем случае был выбран параметр 2.025 ⋅ 10-7 мм, при котором рассчитанные
значения частот сигналов близки к экспериментальным значениям табл. 2.
Приведенные экспериментальные данные настоящей работы согласуются с резуль
татами [17-20] в части изменения акустического спектра при структурной перестрой
ке в области температуры 800°С.
ВЫВОДЫ
Наши исследования позволили сделать следующие выводы:
1. Причина генерации сигналов АЭ расплавом в термически индуцированных вол
нах давления.
2. При температуре 800°С происходит изменение частотного спектра сигналов АЭ,
что говорит о структурной перестройке в расплаве алюминия.
3. В температурном цикле нагрев-охлаждение в интервале температур 660-860°С
на графиках Ео. е от Т характерные точки смены спектра сигналов при нагревании и
охлаждении расплава совпадают.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. K a i s e r J . Über das Auftreten von Geräuschen beim Schmelzen und Erstarren von Metallen //
Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A. 1957. 23. № 2. Р. 38-42.
2. B o r c h e r s H . , K a i s e r J . Akusstishe effekte bei phasenübergangen im system Blei Zinn Z //
Metallkünde. 1958. 49. № 2. Р. 95-100.
3. B o r c h e r s H . , Te n s i H . Piezoelektrishe impulsmessungen bei der phasenandeung von
unlegierten proben der binaren legierugen blei antimony und kadmium zink // Metal. 1963. 17. № 8.
Р. 784.
4. З а д у м к и н С . Н . , Х о к о н о в Ж . Б . , Ш о к а р о в Х . Б . Акустический эффект
при кристаллизации и плавлении веществ // ЖЕТФ. 1975. 69. C. 1315-1320.
5. Vo r o n t s o v V. B . , K a t a l n i k o v V. V. Analysis of acoustic emission effect, accompany
ing metal crystallization // J. Physics. 2008. 98. № 5. Р. 052005.
6. Vo r o n t s o v V. B . , Z h u r a v l e v D . V. Analysis of acoustic emission signals accompany
ing growth of single aluminum crystals // J. Chem. Eng. 2012. 6. № 2. Р. 358-361.
7. Vo r o n t s o v V. B . , Z h u r a v l e v D . V. , C h e r e p a n o v A . C . Experimental research
of phase transition kinetics in a liquid melt of high purity aluminum // J. Crystal Growth. 2014. 401.
Р. 124-127.
8. Computer Program ISVI s. 5.5.3.; Instrumental Systems Technology Corporation: M., 2009.
9. С о к о л о в О . Б . , Уг о д н и к о в а Л . А . Метод Фурье преобразований. Методиче
ский Сборник, Екатеринбург, 2005.
348
В. Б. Воронцов, В. К. Першин
10. Е р ш о в Г. С . , Ч е р н я к о в И . А ., М. Строение и свойства жидких и твердых ме
таллов М., 1978.
11. Л а д ь я н о в В . И . Структурные превращения в металлических расплавах и их прояв
ления при затвердевании и кристаллизации быстро закаленных сплавов. Ижевск. Док. дис.
физ. мат. наук, 2004.
12. Vo r o n t s o v V. B . , Pe r s h i n V. K . Experimental research of phase transition in a melt of
high purity aluminum // J. Crystal Growth. 2017. 480. Р. 170-174.
13. H u a n g Y. H . , B a u H . H . Thermoacoustic waves in a semi infinite medium // J. Heat
Mass Transfer. 1995. 38. Р. 1329-1345.
14. H u a n g Y. H . , B a u H . H . Thermoacoustic wages in a confined medium // J. Heat and
Mass Transfer. 1997. 40. № 2. Р. 407-419.
15. З у б к о в П . Т. , С в и р и д о в Е . М . , Гу б а й д у л л и н А . А . Термоакустические
волны, возникающие при нагревании идеального вязкого газа // Теплофизика высоких тем
ператур. 2004. 42. № 5. Р. 756-757.
16. В о р о н ц о в В . Б . , Жу р а в л е в Д . В . Связь структуры сигналов акустической
эмиссии при кристаллизации Al с механизмом формирования твердой фазы из расплава //
Вестник Новгородского государственного Университета. 2012. № 67. С. 8-13.
17. В а т о л и н Н . А . , П а с т у х о в Е . А . , С е р м я г и н В . Н . Влияние температуры на
структуру жидкого алюминия // ДАН СССР. 1975. 222. № 3. С. 641.
18. Б а з и н Ю . А . , З а м я т и н В . М . , Н а с а й р о в Я . А . , Е м е л ь я н о в А . В .
О структурных превращениях в жидком алюминии // Известия вузов. Черная металлургия.
1985. № 5. С. 28-32.
19. Б а з и н Ю . А . , Е м е л ь я н о в А . В . , Б а у м Б . А . , К л и м е н к о в Е . А . Рентге
нографическое исследование строения жидкого алюминия // Металлофизикап. 1986. 8. № 2.
С. 11-15.
20. Б а з и н Ю . А . Структурная перестройка в жидком алюминии // Известия Вузов. Чер
ная металлургия. 1985. № 5. С. 28-33.
Connection of Acoustic Emission with Local Structural Change
on Melt in Non<Equilibrium Aluminum
V. B. Vorontsov1, V. K. Pershin1
1Ural State University of Railway Transport, Faculty of natural Sciences, Yekaterinburg, Russia
Obtained and analyzed experimental results of investigation of the dependence of energy
and number of AE signals from molten metal temperature in the range 680-860°C. The
connection of acoustic emission with structural changes in liquid metals on the example of
Al melt is established. The models of clusters are given.
Keywords: crystal structure, cluster model, temperature gradient, melt, metals, acoustics
REFERENCES
1. Kaiser J. Über das Auftreten von Geräuschen beim Schmelzen und Erstarren von Metallen //
Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A. 1957. 23. № 2. Р. 38-42.
2. Borchers H., Kaiser J. Akusstishe effekte bei phasenübergangen im system Blei Zinn Z // Met
allkünde. 1958. 49. № 2. Р. 95-100.
3. Borchers H., Tensi H. Piezoelektrishe impulsmessungen bei der phasenandeung von unlegierten
proben der binaren legierugen blei antimony und kadmium zink // Metal. 1963. 17. № 8. Р. 784.
4. Zadumkin S.N., Khokonov ZH.B., Shokarov H.B. Akusticheskiy effekt pri kristallizatsii i plav
lenii veshchestv [Acoustic effect during crystallization and melting of substances] // ZHETF. 1975. 69.
Р. 1315-1320 (in Russian).
5. Vorontsov V.B., Katalnikov V.V. Analysis of acoustic emission effect, accompanying metal crys
tallization // J. Physics. 2008. 98. № 5. Р. 052005.
6. Vorontsov V.B., Zhuravlev D.V. Analysis of acoustic emission signals accompanying growth of
single aluminum crystals // J. Chem. Eng. 2012. 6. № 2. Р. 358-361.
Связь акустической эмиссии с локальной структурной перестройкой
349
7. Vorontsov V.B., Zhuravlev D.V., Cherepanov A.C. Experimental research of phase transition ki
netics in a liquid melt of high purity aluminum // J. Crystal Growth. 2014. 401. Р. 124-127.
8. Computer Program ISVI s. 5.5.3.; Instrumental Systems Technology Corporation: M., 2009.
9. Sokolov O.B., Ugodnikova L.A. Metod Fur’ye preobrazovaniy. Metodicheskiy Sbornik [Fourier
transform method. Methodical Collection]. Yekaterinburg, 2005 (in Russian).
10. Yershov G.S., Chernyakov I.A. Stroyeniye i svoystva zhidkikh i tvordykh metallov [Structure
and properties of liquid and solid metals]. M., 1978 (in Russian).
11. Lad’yanov V.I. Strukturnyye prevrashcheniya v metallicheskikh rasplavakh i ikh proyavleniya
pri zatverdevanii i kristallizatsii bystro zakalonnykh splavov [Structural transformations in metal melts
and their manifestations during solidification and crystallization of rapidly hardened alloys]. Izhevsk.
Dok. dis. fiz. mat. nauk, 2004 (in Russian).
12. Vorontsov V.B., Pershin V.K. Experimental research of phase transition in a melt of high purity
aluminum // J. Crystal Growth. 2017. 480. Р. 170-174.
13. Huang Y.H., Bau H.H. Thermoacoustic waves in a semi infinite medium // J. Heat Mass
Transfer. 1995. 38. Р. 1329-1345 .
14. Huang Y.H., Bau H.H. Thermoacoustic wages in a confined medium // J. Heat and Mass
Transfer. 1997. 40. № 2. Р. 407-419.
15. Zubkov P.T., Sviridov Ye.M., Gubaydullin A.A. Termoakusticheskiye volny, voznikayushchiye
pri nagrevanii ideal’nogo vyazkogo gaza [Thermoacoustic waves that occur when a perfect viscous gas
is heated] // Teplofizika vysokikh temperatur. 2004. 42. № 5. P. 756-757 (in Russian).
16. Vorontsov V.B., Zhuravlev D.V. Svyaz’ struktury signalov akusticheskoy emissii pri kristalli
zatsii Al s mekhanizmom formirovaniya tvordoy fazy iz rasplava [Connection of the structure of acous
tic emission signals during Al crystallization with the mechanism of formation of a solid phase from a
melt] // Vestnik Novgorodskogo gosudarstvennogo Universiteta. 2012. № 67. P. 8-13 (in Russian).
17. Vatolin N.A., Pastukhov Ye.A., Sermyagin V.N. Vliyaniye temperatury na strukturu zhidkogo
alyuminiya [Influence of temperature on the structure of liquid aluminum] // DAN SSSR. 1975. 222.
№ 3. P. 641 (in Russian).
18. Bazin Yu.A., Zamyatin V.M., Nasayrov Ya.A., Yemel’yanov A.V. O strukturnykh prevrash
cheniyakh v zhidkom alyuminii [On structural transformations in liquid aluminum] // Izvestiya vuzov.
Chornaya metallurgiya. 1985. № 5. P. 28-32 (in Russian).
19. Bazin Yu.A., Yemel’yanov A.V., Baum B.A., Klimenkov Ye.A. Rentgenograficheskoye issledo
vaniye stroyeniya zhidkogo alyuminiya [X ray study of the structure of liquid aluminum] // Metal
lofizikap. 1986. 8. № 2. P. 11-15 (in Russian).
20. Bazin Yu.A. Strukturnaya perestroyka v zhidkom alyuminii [Structural adjustment in liquid
aluminum] // Izvestiya Vuzov. Chornaya metallurgiya. 1985. № 5. P. 28-33 (in Russian).
