Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 1, стр. 55-60

ВВЕДЕНИЕ

Основой разработки новых алюминиевых сплавов, совершенствования технологии производства и улучшения их свойств является наряду с решением технологических задач развитие фундаментальных научных металловедческих исследований. Это привело в теоретическом плане к построению двойных диаграмм состояния алюминия почти со всеми элементами периодической системы, выяснению характера физико-химического взаимодействия во многих тройных и более сложных системах, установлению закономерностей строения и свойств сплавов. В практическом отношении созданы конструкционные алюминиевые сплавы с особыми свойствами, в том числе сверхлегкие сплавы с удельным весом 1.30–1.45 г/см³, т.е. приближающиеся к удельному весу легких пластмасс [1–4].

Технический прогресс в ряде важных отраслей промышленности определяется качеством легких сплавов на основе алюминия. Среди них наибольшее применение находят алюминиево-бериллиевые сплавы благодаря малому удельному весу, высокой удельной прочности, способности выдерживать большие температуры, высокой коррозионной стойкости, теплопроводности и теплоемкости. В качестве конструкционных материалов они широко применяются в авиации, атомной, ракетной и космической технике, а также в электронике и электротехнике [1–4].

Применение алюминиево-бериллиевых сплавов в космических аппаратах в качестве конструкционного материала может дать значительную экономию в весе по сравнению с алюминиево-магниевыми сплавами или чистым бериллием. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, технологичностью, свариваемостью, значительно меньшей чувствительностью к поверхностным дефектам. Стоимость их заметно ниже, чем стоимость чистого бериллия [3, 4].

В литературе имеются сведения о теплофизических свойствах алюминиевого сплава АБ1, легированного некоторыми редкоземельными металлами. Показано, что теплоемкость сплава АБ1 увеличивается с ростом температуры, а с увеличением содержания редкоземельных металлов незначительно уменьшается [4].

Теплофизические свойства алюминиево-литиевого сплава Al + 6% Li с редкоземельными металлами исследованы в [5] в интервале 353–775 К. Установлен рост теплоемкости с увеличением температуры.

Цель работы заключается в исследовании влияния добавок лития на температурные зависимости удельной теплоемкости и изменений термодинамических функций алюминиевого сплава АБ1 (Al + 1 мас. % Be).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сплавы для исследования были получены в шахтной лабораторной печи сопротивления типа СШОЛ (сопротивление шахтное опытное лабораторное) в интервале температур 750–850°С из алюминия марки А995, алюминиево-бериллиевой лигатуры (1 мас. % Be) и лигатуры на основе алюминия, содержащей 10 мас. % лития. Лигатуры предварительно изготавливались в вакуумной печи сопротивления типа СНВ 2.4.2/16. Из полученных сплавов в графитовую изложницу отливались цилиндрические образцы диаметром 16 мм и длиной 30 мм.

Сплав АБ1 с литием подвергался химическому анализу на содержание основных компонентов в Центральной заводской лаборатории алюминиевой компании ГУП “ТАлКо”. Содержание лития в сплаве колебалось от 0.05 до 1.0 мас. %. Состав полученных сплавов контролировался также взвешиванием образцов до и после сплавления. В дальнейшем исследованию подвергались сплавы, у которых разница в массе до и после сплавления не превышала 2% (отн.).

Как известно, теплоемкость твердых тел в режиме охлаждения определяется по уравнению

где m₁= ρ₁V₁ – масса эталона, m₂= ρ₂V₂ – масса исследуемого образца; ${{\left( {{{dT} \mathord{\left/ {\vphantom {{dT} {d\tau }}} \right. \kern-0em} {d\tau }}} \right)}_{1}},$ ${{\left( {{{dT} \mathord{\left/ {\vphantom {{dT} {d\tau }}} \right. \kern-0em} {d\tau }}} \right)}_{2}}$ – скорости охлаждения эталона и образцов сплавов при данной температуре.

Для определения скорости охлаждения строят кривые охлаждения образцов.

Передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому – процесс, стремящийся к установлению термодинамического равновесия в системе, состоящей из огромного числа частиц, т.е. релаксационный процесс, который можно описать во времени экспонентой. В рассматриваемом случае нагретое тело передает свое тепло окружающей среде, т.е. телу с бесконечно большой теплоемкостью. Поэтому температуру окружающей среды можно считать постоянной Т₀. Тогда закон изменения температуры тела во времени $\tau $ можно записать в виде ΔT = $\Delta {{T}_{1}}{{{\text{e}}}^{{{{ - \tau } \mathord{\left/ {\vphantom {{ - \tau } {{{\tau }_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{1}}}}}}},$ где ΔT – разность температур нагретого тела и окружающей среды; ΔT₁ – разность температур нагретого тела и окружающей среды при τ = 0; τ₁ – постоянная охлаждения, численно равная времени, за которое разность температур между нагретым телом и окружающей средой уменьшается в е раз.

Теплоемкость измерялась по методике, описанной в работах [6–13], на установке, схема которой представлена на рис. 1. Электропечь 1 смонтирована на стойке 2, по которой она может перемещаться вверх и вниз (стрелка показывает направление перемещения). Образец 3 и эталон 4 (тоже могут перемещаться) представляют собой цилиндры длиной 30 мм и диаметром 16 мм с высверленными каналами с одного конца, в которые вставлены термопары 5. Концы термопар подведены к цифровым термометрам “Digital Multimeter DI9208L” (6, 7 и 8).

Электропечь 1 запускается через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) 9, нужная температура устанавливалась с помощью терморегулятора 10. По показаниям цифровых термометров 6–8 фиксируется значение начальной температуры. Образец 3 и эталон 4 нагреваются в электропечи 1 до нужной температуры, которая контролируется по показаниям цифровых термометров на компьютере 11. Образец и эталон одновременно извлекаются из электропечи и с этого момента фиксируется их температура. Показания цифровых термометров 6–8 записываются на компьютер 11 через каждые 5, 10, 20 с до охлаждения образца и эталона.

Обработка результатов измерений и построение графиков производились с помощью программ MS Excel и Sigma Plot. Коэффициент корреляции составил R_корр > 0.9426, что подтверждает правильность выбора аппроксимирующей функции. Временной интервал фиксации температуры соответствовал 10 с. Относительная ошибка измерения температуры в интервале от 40°С до 400°С составляла ±1%, а выше 400°С – ±2.5%. Погрешность измерения теплоемкости по предлагаемой методике не превышает 4% (табл. 1 и 2).

Предварительно для определения погрешности метода измерялась теплоемкость меди марки М00 по отношению к алюминию марки А7, а также теплоемкость меди относительно алюминия. Результаты измерения для трех параллельных экспериментов представлены в табл. 1 и 2. Установленное значение погрешности измерений теплоемкости меди марки М00 не превышает 1.5%. Далее в качестве эталона взята медь марки М00. В этом плане именно медь является более надежным металлом, поскольку она характеризуется более высокой температурой плавления и достоверными значениями теплоемкости, определенными многими авторами разными параллельными методами [14].

Сравнение экспериментально полученных значений теплоемкости меди по отношению к Al марки А7 показывает почти 99%-ную сходимость с данными, приведенными в справочнике [14].

Полученные кривые охлаждения образцов сплавов описываются уравнением вида

где a, b, p, k – постоянные для данного образца, τ – время охлаждения.

Результаты исследования температуры охлаждения изучаемых сплавов представлены на рис. 2. В общем случае полученные графики температуры Т от времени охлаждения τ для образцов сплавов АБ1 с литием показывают непрерывное уменьшение температуры образцов и эталона по мере их охлаждения. На кривых охлаждения термических эффектов, связанных с фазовым превращением, не обнаружено.

Дифференцируя уравнение (2) по τ, получаем уравнение для скорости охлаждения сплавов

По формуле (3) вычислены скорости охлаждения образцов сплавов АБ1 + Li и эталона. Кривые скорости охлаждения образцов представлены на рис. 3. Обработкой данных о скорости охлаждения получены значения коэффициентов a, b, p, k, ab, pk в (3), которые приведены в табл. 3.

С использованием данных о скорости охлаждения по уравнению (1) вычислена удельная теплоемкость сплавов АБ1 с литием и эталона. Результаты через 100 К представлены в табл. 4. Теплоемкость сплава АБ1 с ростом температуры и концентрации лития увеличивается. Рассчитанные значения теплоемкости сплава АБ1 сопоставлены с ранее полученными авторами [4] результатами для данного сплава. Например, при температуре 400 К по данным [4] теплоемкость равна 980 Дж/(кг К), а по настоящим данным составляет 961.1 Дж/(кг К). Таким образом, относительная погрешность измерений теплоемкости сплава составляет 1.9%, что является вполне приемлемым.

После проведения полиномной регрессии получено следующее общее уравнение для описания температурной зависимости удельной теплоемкости сплавов АБ1 с литием:

Значения коэффициентов α, β, γ, δ уравнения (4) представлены в табл. 5.

С использованием значений удельной теплоемкости и скорости охлаждения образцов вычислен коэффициент теплоотдачи сплавов АБ1 + Li по уравнению

где Т и Т₀ – температуры образца и окружающей среды; S, m – площадь поверхности и масса образца соответственно. Температурные зависимости коэффициента теплоотдачи для сплавов АБ1 с литием представлены на рис. 4.

Для расчета температурной зависимости изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса использовано уравнение (4) для удельной теплоемкости

где ${{T}_{0}}$ = 298.15.

Результаты расчета температурных зависимостей изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса представлены на рис. 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В режиме охлаждения по известной теплоемкости эталонного образца из меди получена теплоемкость сплавов АБ1 с литием. С помощью установленных полиномных зависимостей показано, что с ростом температуры теплоемкость, энтальпия и энтропия сплавов увеличиваются, а значения энергии Гиббса уменьшаются. Добавки лития в изученном концентрационном интервале (0.05–1.0 мас. %) увеличивают теплоемкость сплава АБ1. Энтальпия и энтропия сплава с ростом содержания лития увеличиваются, а значения энергии Гиббса уменьшаются. Указанные изменения теплофизических свойств и термодинамических функций алюминиевого эвтектического сплава АБ1 при модифицировании его литием связано с измельчением и ростом степени гетерогенности его структуры [16, 17].