Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 1, стр. 36-40

ВВЕДЕНИЕ

Магний представляет интерес для различных практических приложений, поскольку имеет высокую удельную прочность и жесткость, обладает хорошими демпфирующими характеристиками и все это в сочетании с малой плотностью. Для сравнения: плотность магния равна 1.737 г/см³, что меньше плотности железа в 4.5 раза, меди в 5 раз, титана в 2.6 раза и алюминия в 1.5 раза. Сочетание перечисленных свойств позволяет исследователям рассматривать магний и его сплавы в качестве перспективных материалов для авто- и авиастроения, где высокая удельная прочность является важным параметром для решения задачи по снижению веса изделий [1–3].

Экспериментальные исследования и получение достоверных сведений о физико-химических, термодинамических и других свойствах металлических систем с разными основами позволяют установить закономерности изменения их в зависимости от природы легирующих добавок. Такие исследования для легких металлических сплавов на основе магния, легированных лантанидами, имеют важное научное и прикладное значение. Магниевые сплавы проявляют необходимые эксплуатационные характеристики, удовлетворяющие потребностям современных отраслей техники и технологии [4–6].

Магний и его сплавы в расплавленном состоянии энергично реагируют с кислородом и поэтому загораются на воздухе. В связи с этим при плавке необходимо применение специальных мер защиты расплавленного металла от контакта с воздухом. Поэтому можно применить метод плавки под слоем флюсов. Основное назначение флюсов заключается в образовании на поверхности жидкого металла в ванне защитного покрова, изолирующего расплав от контакта с воздухом, и в удалении из него окислов и нитридов, образующихся во время плавки [7–9].

Целью работы является исследование температурной зависимости теплофизических свойств и изменений термодинамических функций сплавов системы Mg–La.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Теплоемкость представляет собой одно из важнейших физических свойств твердых тел, характеризующих изменение состояния вещества с температурой. Изучение теплоемкости является одним из основных методов исследования структурных и фазовых превращений в сплавах [10–12].

В литературе существует много методов экспериментального изучения теплоемкости твердых тел, характеризующих изменение состояния вещества при изменяющейся температуре. Самым распространенным является метод сравнения скоростей охлаждения двух образцов (исследуемого и эталонного) по закону охлаждения Ньютона–Рихмана, позволяющий непосредственно определять не только теплоемкость, но и температуру фазовых превращений и другие физические характеристики твердого тела. Метод сравнения скоростей охлаждения двух образцов дает возможность с достоверной точностью определять температуру и тепловые эффекты без значительного изменения удельного объема системы, а также зависимость теплоемкости веществ от температуры.

Исследования температурной зависимости теплоемкости сплавов проводились в режиме охлаждения с применением компьютерной техники и программы Sigma Plot. В качестве эталона использовался магний марки Мг90 (ГОСТ 804-62). Аппаратура и методы измерения ранее описаны в публикациях [13–22].

Обработка результатов измерений осуществлялась с помощью программы “MS Excel”. Коэффициент корреляции R ≥ 0.995, что подтверждает правильность выбора аппроксимирующей функции. Для определения температуры использовался многоканальный цифровой термометр, который позволяет фиксировать результаты измерений прямо на компьютере в виде таблиц. Шаг измерения температуры составлял 0.1°С, временной интервал фиксации температуры – 10 с. Относительная ошибка измерения температуры равна ±1% в интервале от 40 до 400°С и ±2.5% – выше 400°С. Погрешность измерения теплоемкости по предлагаемой методике не превышает 4%.

Сплавы для исследования получались в шахтной лабораторной печи сопротивления типа СШОЛ (сопротивление шахтное опытное лабораторное) в интервале температур 750–850°С из металлического магния марки Мг90 и металлического лантана. Содержание лантана в магнии составило до 10 мас. %. В качестве флюса при плавке сплавов применялся универсальный флюс марки ВИ-3. Из полученных сплавов в графитовую изложницу отливались цилиндрические образцы диаметром 16 мм и длиной 30 мм.

Для расчета теплоемкости сплавов необходимы данные о скоростях охлаждения образцов из сплавов и теплоемкости эталона. Термограммы исследуемых сплавов представлены на рис. 1а. Процессы охлаждения для всех исследованных образцов подобны. При охлаждении на кривых T = f(τ) для образцов из сплавов системы магний–лантан не обнаружено термических остановок, связанных с фазовым переходом или превращением.

Полученные зависимости температуры образцов от времени с достаточной точностью описываются уравнением вида

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

Кривые зависимостей скоростей охлаждения от температуры для сплавов системы Mg–La представлены на рис. 1б.

Дифференцируя уравнение (1) по τ, получаем уравнение для определения скорости охлаждения образцов

По данной формуле вычислены скорости охлаждения образцов из сплавов системы Mg–La и эталона. Результаты обработки кривых скоростей охлаждения сплавов системы Mg–La приведены в табл. 1.

Удельная теплоемкость сплавов системы Mg–La вычислена по уравнению

где $C_{{{{P}_{1}}}}^{0}$ – удельная теплоемкость эталона; m₁= ρ₁V₁ – масса образцов эталона; m₂= ρ₂V₂ – масса исследуемых образцов ($\rho $ – плотность, г/см³; V – объем образца, см³); ${{\left( {\frac{{dT}}{{d\tau }}} \right)}_{1}},\,\,{{\left( {\frac{{dT}}{{d\tau }}} \right)}_{2}}$ – скорости охлаждения образцов эталона и изучаемых сплавов, °С/с.

Получены полиномы температурной зависимости удельной теплоемкости сплавов системы Mg–La и эталона, описываемые уравнением типа

где а, b, с, d – эмпирические коэффициенты, найденные для каждого образца экспериментальным путем; Т – температура, при которой определяется значение теплоемкости образцов. Значения коэффициентов уравнения (3) представлены в табл. 2.

Результаты расчета температурной зависимости удельной теплоемкости сплавов системы Mg–La приведены в табл. 3 и на рис. 2а.

В исследованном температурном интервале теплоемкость сплавов системы Mg–La с ростом температуры увеличивается, а с увеличением содержания лантана в магнии уменьшается.

С использованием экспериментально определенных скоростей охлаждения образцов из исследуемых сплавов и вычисленных данных о теплоемкости рассчитан коэффициент теплоотдачи для сплавов системы Mg–La и эталона по следующей формуле:

где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); Т – средняя температура образца за время dτ; Т₀ – температура окружающей среды, К; S – площадь поверхности образца, cм²; $C_{P}^{0}$ – удельная теплоемкость исследуемого образца (Дж/(кг К)) массой m (г).

Температурные зависимости коэффициента теплоотдачи сплавов системы Mg–La и эталона представлены на^{рис. 2б. С ростом содержания лантана в магнии коэффициент теплоотдачи уменьшается.}

Для расчета температурных зависимостей изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса сплавов системы Mg–La использованы интегралы от удельной теплоемкости (3):

где Т₀ = 298.15 К.

Результаты расчета изменений температурных зависимостей энтальпии, энтропии и энергии Гиббса через 100 К представлены в табл. 4.

Энтальпия и энтропия сплавов Mg–La с увеличением содержания лантана уменьшаются, а с ростом температуры растут. Энергия Гибсса имеет обратную зависимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Получены полиномы температурных зависимостей теплоемкости и изменений термодинамических функций (энтальпия, энтропия и энергия Гиббса) для сплавов системы Mg–La с коэффициентом корреляции R = 0.999.

2. Показано, что с ростом температуры удельная теплоемкость и коэффициент теплоотдачи сплавов увеличиваются.

3. С увеличением содержания лантана в магнии удельная теплоемкость, коэффициент теплоотдачи, энтальпия и энтропия уменьшаются, а значение энергии Гиббса растет. С ростом температуры указанные параметры увеличиваются.