Проведено дослідження кінетики контактного плавлення в різних типах простих систем. Отримано значення енергії активації для всіх досліджених систем на різних ділянках. При цьому використовувався метод вимірювання автотермоЕДС контактної зони.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Дадаєв Д. Х.


CONTACT MELTING IN SOME SIMPLE SYSTEMS

Investigations of the kinetics of contact melting in different types of simple systems. Obtained activation energy values ​​for all investigated systems at different sites. This measurement method used autothermia EMF contact zone.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2016


    Журнал

    Norwegian Journal of Development of the International Science


    Наукова стаття на тему 'КОНТАКТНА плавлення В ДЕЯКИХ ПРОСТИХ СИСТЕМАХ'

    Текст наукової роботи на тему «КОНТАКТНА плавлення В ДЕЯКИХ ПРОСТИХ СИСТЕМАХ»

    ?PHYSICS

    КОНТАКТНА плавлення В ДЕЯКИХ ПРОСТИХ СИСТЕМАХ

    Дадаєв Д.Х.

    Кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри гуманітарних та природничих дисциплін. Дагестанський державний університет, філія в м Хасав'юрті.

    CONTACT MELTING IN SOME SIMPLE SYSTEMS

    Dadaev D.

    Candidate of physico-mathematical Sciences, associate Professor of humanitarian and natural-science disciplines. Dagestan state University branch in the city of Khasavyurt.

    анотація

    Проведено дослідження кінетики контактного плавлення в різних типах простих систем. Отримано значення енергії активації для всіх досліджених систем на різних ділянках. При цьому використовувався метод вимірювання автотермоЕДС контактної зони.

    Abstract

    Investigations of the kinetics of contact melting in different types of simple systems. Obtained activation energy values ​​for all investigated systems at different sites. This measurement method used autothermia EMF contact zone.

    Ключові слова: контактна плавлення, діаграми простих систем, автотермоЕДС. Keywords: contact melting, diagrams of simply systems, autothermoEMF.

    Дослідження кінетики контактного плавлення (КП) в простих системах з різними типами діаграм являє собою значний інтерес у зв'язку з можливістю отримання контактних прошарків з необхідними властивостями.

    Для досліджень [1] вибиралися прості системи з обмеженою розчинністю в твердому стані (В ^ п, Cd-In, Cd-Zn і Sn-Pb), системи, що не утворюють тверді розчини (чисто евтектична система Cd-Bi), і евтектичних системи з перитектическая перетворенням і обмеженою

    Уср, 10-7м / с 16

    розчинність компонентів в твердому стані (Cd-Sn, Pb-Bi і 1п ^ п).

    КП в цих системах проводилося в стаціонарному і нестаціонарному режимах за методикою, описаною в [2, 3], і встановлено, що воно спостерігається при температурах плавлення евтектики і вище.

    Основні експериментальні результати, отримані в нестаціонарному режимі КП представлені на малюнках 1-3. Характеристики КП всіх цих систем ідентичні і за тимчасовими, і за температурними параметрами.

    12

    - = 1 = S 3 4

    10

    20

    30

    40

    t, 103 с

    8

    4

    0

    0

    Мал. 1. Графіки залежності середньої швидкості КП від часу в нестаціонарному режимі в системах: 1. Bi-Cd, - 443 К; 2. Cd-In, 406 К; 3. В ^ п, 422 К; 4. У ^ РЬ, 407 К.

    Vcp, 10-7 м / c

    Мал. 2. Графіки залежності середньої швидкості КП від 1, в нестаціонарному режимі: 1.Bi-Cd, 443 K; 2. Cd-In, 406 K; 3. Bi-Sn, 422 К; 4. Bi-Pb 407 К.

    З графіків залежності (Рис. 2)

    видно, що вони представляють собою прямі лінії, що задовольняють рівняння

    ТЛ Лх _ У V = - = р - \ - (1), Л V ^

    дифференцированием

    отриманого ного рівняння

    извест-

    X

    = 2pjDt

    (2),

    де в - аргумент функції Крампа [4], звідки ясно видно, що процес плавлення протікає під дифузійним контролем.

    Відомо, що розчинність N у ідеальних системах може бути знайдена з рівняння

    Шредера і Ле-Шательє: 1п N = --- + С, де

    р р ЯП

    Lпл - теплота плавлення, Я - універсальна газова постійна, Т - абсолютна температура.

    Отже, розчинність повинна змінюватися з температурою так, щоб логарифм N був лінійною функцією від 1 / Т. На графіку, що зображує залежність Ln N від 1 / Т, кут нахилу прямої буде залежати тільки від теплоти плавлення речовини. У системах, досить близьких до найпростіших, ця залежність добре дотримується, хоча кут нахилу прямої часто не відповідає зміні теплоти плавлення.

    КП при температурах, що перевищують температуру КП, являє собою розчинення контактують твердих компонентів в утворюється рідкої прошарку, тому можна очікувати, що для нього повинні мати місце зазначені вище закономірності.

    З графіків залежності -LnV від 103 / Т (Рис. 3) видно, що дослідно знайдені значення ско рости КП задовольняють закономірності

    V = а exp (- U / RT), (3)

    де U - енергія активації КП. За тангенсу кута нахилу цих кривих були визначені енергії активації U і константа а для всіх досліджених систем окремо для кожної ділянки, відповідного певним температурним інтервалах (Таблиця 1).

    Як видно з графіків (Рис. 3) і таблиці 1, в інтервалі температур, близьких до температури КП (відповідає нахилу кривої вище точки перегину на рис. 3) енергія активації має більше значення, ніж в інтервалі температур, близьких до температури плавлення більш легкоплавкого компонента (ділянка кривої рис. 3 нижче точки перегину). Зміна кута нахилу, найімовірніше, визначається зміною контролюючих параметрів: при низьких температурах КП знаходиться під хімічним (кінетичним) контролем, пов'язаним з руйнуванням структури кристалічної речовини, при високих температурах КП знаходиться під дифузійним контролем, йде процес розчинення твердих компонентів в рідкій фазі.

    -ln V, м / с

    Мал. 3. Графіки залежності -1п V від 103 / Т для зазначених систем, отримані в нестаціонарних-дифузійному режимі КП.

    Така зміна завжди супроводжується різким з- контактної прошарку. А товщина прошарку зави-ломом прямий на графіку, побудованої в коорди- сит від тиску верхнього зразка на нижній. Середовищ-Натах Ln V = f (1 / Т) (Рис. 3). ня швидкості КП в стаціонарному режимі на НЕ-

    Швидкість КП в стаціонарному режимі по вре- скільки порядків вище, ніж в нестаціонарному ре-мени - величина постійна при ізотермічному жимі (Рис. 4). процесі. Вона залежить від температури і товщини

    Таблиця №1.

    Значення енергій активації в певних інтервалах температур для евтектичних систем

    Система 1 інтервал Т, К U, кДж / моль а1 2 інтервал Т, К U, кДж / моль А2

    Bi-Cd 417-437 200 2,25-102 ° 437-483 120 8,111010

    Bi-Pb 398-407 277 1,89 1032 407-467 93 6,33 108

    Bi-Sn 413-438 150 3,181014 438-481 114,5 1,841010

    Bi-Sn 415-441 188,3 1,03 1019 441-485 114 1,61010

    Cd-Sn 450-460 412 1,60 1042 460-480 190 7,58-1016

    ln-Sn 392-402 355,6 1,151042 402-428 119,3 2,20101:

    Sn-Pb 456-466 420 1,63 1043 466-484 220 5,70-102 °

    УСР, 10-6м / с

    Мал. 4. Графіки залежності середньої швидкості КП від температури, отримані експериментально в стаціонарно-дифузійному режимі.

    При обробці експериментальних даних по визначенню швидкості КП в нестаціонарних-дифузійному режимі можна знайти значення швидкості КП в стаціонарно-дифузійному режимі. Очевидно, швидкість КП в стаціонарно-дифузійному режимі Ус при товщині рідкого шару 80 дорівнює миттєвої швидкості КП в нестаціонарних-дифузійному режимі УН при тій же товщині 50, тобто Ус (8 = 80) = Ун (8 = 80).

    Знайдемо миттєву швидкість нестаціонарного процесу в момент часу 1о, коли 8 = 8о. З рівняння (1) знаходимо

    82Л = 4РБ = сошг (4),

    звідки випливає, що

    dS

    v = ds = p D

    dt V t

    (5)

    З огляду на, що - = VH і / 3 ^ [d =

    S

    dt jy S

    (5), отримаємо V "= - .

    2t

    i4t

    з

    У момент коли 1 = о, 5 = 5 "маємо Ус = Ун =

    S_ 2tn

    Враховуючи що

    S2 S02

    отримаємо оконча-

    кові

    V = VL S

    2S0t 2 S0

    (6),

    де 52 і 1 координати будь-якої точки на прямій, описуваної рівнянням (4).

    Далі була досліджена система з безперервною розчинність компонентів 1п-РЬ, що характеризується наявністю проміжної фази (Рис. 5). У систематичних дослідженнях системи 1п-РЬ [5-7] спостерігаються розбіжності з приводу будови діаграми стану. Термічний аналіз дозволив виявити дві перитектическая горизонталі при 171,9 і 159,2 ° С.

    Межі твердих розчинів, двухфазной області 1п + а1 і а1 - фази за даними різних досліджень різні. Сплави індію зі свинцем в області сплавів 0 - 12 ат. % РЬ кристалізуються в дуже вузькому інтервалі температур. Саме в цьому інтервалі концентрацій залишається неуточненої діаграма стану 1п-РЬ [6].

    t

    t

    0

    Мал. 5. Діаграма стану 1п-РЬ [5].

    Проведені нами досліди показали можливість появи рідкої фази в контакті індію і свинцю. Це говорить про те, що на лінії ликвидус діаграми стану, ймовірно, є мінімум. При температурах, близьких до 1100 с і вище, виявлено зміна параметрів елементарної комірки індію. Це говорить про освіту твердих розчинів на основі індію.

    При цьому змін мікроструктури не помічено. За нашими припущеннями, утворився шар дуже тонкий, так як при знятті поверхневого шару і рентгенографуванням глибинних зон

    зміни параметрів решітки не виявлено. Зі збільшенням температури область твердих розчинів збільшується і після 3 год витримки при 1550С відношення с / а решітки індію зростає від 1,07473 до 1,08241.

    Такі ж зміни параметрів елементарної комірки з утворенням твердих розчинів спостерігаються і на основі свинцю. Проведений металографічний аналіз контактних прошарків свідчить про слабку роз'їдені кордонів індій-рідина і свинець-рідина рідиною контактної прошарку.

    а) х400

    в) х100

    б) х150

    Мал. 6. Мікроструктури різних ділянок прошарку системи індій-свинець. а) -контактними прошарок, б) -обидві кордону, в) -граніца 1п-РЬ.

    Однаково сірий фон її на шлифе вказує концентрацій, що встановлюються на кордонах з на невеликий інтервал концентрацій, охоплений твердими фазами (рис. 6). рідиною, тобто на мале відмінність ліквідусних

    -ln V, м / с 17

    16

    15

    14

    13

    12

    103 / T, K-1

    2,328

    2,33

    2,332

    2,334

    2,336

    Мал. 7. Графік залежності -1п V від 103 / Т для системи 1п-РЬ, отриманий в нестаціонарному режимі КП.

    При нестаціонарних-дифузійному режимі КП товщина контактної прошарку і середня швидкість в залежності від часу змінюється за законами (3.1.1-3.1.2), а температурна залежність швидкості, виражена в координатах ЬІ У від 103 / Т, (Рис. 7) задовольняє закономірності

    (3.1.3), що свідчить про дифузійної процесу.

    При стаціонарному режимі процеси КП при 155,52 - 155,55 ° С протікають згідно диффузионному закону, а зі збільшенням температури переважають процеси розчинення (Рис. 8), тобто середня швидкість КП зі збільшенням температури зростає.

    103 / Т, К-1

    Мал. 8. Залежність логарифма середньої швидкості КП lnV в стаціонарному режимі від

    103 / Т для системи 1п-РЬ.

    При дослідженні швидкості стаціонарного процесу КП спостерігалося вплив пластичної деформації на її чисельні значення. З метою врахування поправки для визначення абсолютних значень середніх швидкостей КП були вивчені однорідні зразки та визначено швидкості при температурах КП і вище. При температурах, близьких до температур плавлення чистих компонентів, в контакті однорідних зразків виявили рідку фазу.

    Відомо, що у своїй кордону зерно плавиться при більш низькій температурі, ніж основна маса металу. Тому плавлення твердих тіл має розпочатися з їх поверхні, і, щоб почалося плавлення всередині обсягу, необхідний деякий перегрів. У наших дослідах при контактуванні двох однакових зразків індію або свинцю з'являється Пріконтактние рідина при температурах на 0,12 і 0,1 град нижче відповідних температур плавлення компонентів в обсязі.

    Виявлений ефект може бути застосований для контактно-реактивної пайки однорідних матеріалів і в порошкової металургії при нагріванні до плавлення дисперсної суміші речовин.

    Проведені нами дослідження металографії показали, що структура кордону в зоні КП безпосередньо пов'язана з взаємною розчинністю компонентів у твердому стані [1, 8], що побічно узгоджується з даними роботи [9]. Дійсно, виходячи, наприклад, з діаграми фазового стану В ^ РЬ, межфазная межа з боку Bi завжди більш звивиста (петлистую), ніж з боку РЬ, твердий розчин якого характеризується більш вузькою областю гомогенності в порівнянні з твердим розчином на основі И. Цей взаємозв'язок чітко проявляється і на більшості інших досліджуваних нами системах.

    Експериментальні результати важко пояснити тільки особливим співвідношенням взаємної розчинності контактують металів. Дійсно, свинець в олові малорастворим (~ 2 мас.%), Проте межа олова з розплавом залишається планар-ної в процесі КП. Звідси випливає висновок, що діаграма стану взаємодіє пари металів не може дати однозначної відповіді про структуру кордонів при КП.

    Поведінка кордонів не можна однозначно пов'язати і з поверхневими властивостями контактуючих металів. Володіючи надлишком вільної енергії по відношенню до обсягу зерен, кордони здатні адсорбувати поверхнево-активні речовини, а їх дефектна структура зумовлює можливість щодо швидкої межзеренного дифузії поверхнево-активного середовища. У той же час, хоча

    вісмут є поверхнево-активною по відношенню до олова і свинцю, кордони олово - розплав і свинець-розплав в системах вісмут-олово і вісмут-свинець залишаються рівними в процесі КП. І, навпаки, олово, свинець, кадмій є поверх-ностно-інактивність до вісмуту, але фронт вісмуту з розплавом цих систем сильно роздроблений (роз'їдені). Розчинність вісмуту в олові і свинці значна (10 і 22 мас.% В ^. При таких концентраціях вісмут втрачає свою здатність до кращою дифузії за дефектами структури.

    Роз'їдання кордону вісмуту в вісмутових системах можна пояснити дуже малою розчинністю олова, свинцю, кадмію в матричному матеріалі. Чим менше розчинність, тим яскравіше виражена тенденція сегрегації домішки по межах зерен.

    Таким чином, при розгляді питання про проведення кордонів метал-розплав при КП необхідний спільний облік поверхневих властивостей кон-тактіруемих компонентів на міжфазних межах і їх розчинності.

    Для системи вісмут-кадмій цікавий той факт, що межа твердого вісмуту з підвищенням температури досвіду роз'їдається значніше, а роз'їдання кордону кадмію з підвищенням температури зменшується. Зменшується проникнення рідини по межах зерен вісмуту з підвищенням температури і в системі вісмут-свинець.

    У разі утворення в системі хімічних сполук структура кордонів зі зміною температури може зазнавати складні зміни.

    Переважне утворення рідкої фази на межі зерен металу пов'язано, з одного боку, з прискореним протіканням дифузії другого компонента з рідини на межі, що призводить до швидкого утворення в них насичених твердих розчинів з концентрацією, достатньою для прояву зародка нової фази - рідини. З іншого боку, місця виходу кордонів зерен на поверхню металу, що межує з рідкою фазою, розчиняються з більшою швидкістю, ніж інші ділянки зерен.

    З огляду на результати останніх досліджень [10-12], не можна виключати і фактор жідкометаллі-чеського охрупчивания (ефект П. А. Ребіндера), зазвичай виникає при КП під тиском або легованих кристалів

    Слід зазначити, що знання діаграми стану даної системи не дає відповіді на питання про структуру кордонів тверда фаза-рідина. Відомий цілий ряд факторів, які можуть призвести до зміни структури кордонів.

    Т, 0С

    E, mV

    Мал. 9. Графіки залежності: 1 температури на зразках; 2 -термоЕДС зразків від часу в системі И-Бп в «імпульсному» режимі.

    При проведенні КП в простих системах нами було звернуто увагу на зниження температури зони контакту в момент появи рідкої фази. Експериментальна реєстрація цієї аномалії здійснювалася за допомогою одночасного вимірювання термоЕРС самих зразків.

    При «імпульсному» режимі КП при температурі Т вище евтектичною (Тев) температура зони контакту знижується до температури плавлення евтектики, тобто система охолоджується від Т до Тев. Потім температура системи підвищується до температури досвіду. На графіку тимчасової залежності термоЕРС зразків (рис. 9) це проявляється у вигляді плавного стрибка температури, а на температурної кривої зменшення з'являється трохи пізніше, ніж на кривій термоЕРС.

    Дослідження початкової стадії КП проводилося на системах И-Бп, В1-Сй, Бп-РЬ і Се-1п. Видно, що в початковий момент температура в зоні контакту швидко знижується до температури евтектики (139 ° С), потім протягом деякого часу практично не змінюється, а далі плавно зростає до вихідної температури. Наявність протяжності спаду термоЕРС вказує на те, що в початковий момент система як би входить в стан метастабільного рівноваги. Про це також свідчить і зниження температури на графіку зміни температури (Рис. 9, 1).

    Тут на зниження температури термопара реагує пізніше, ніж термоЕРС через свою інертність, і температура вирівнюється швидше, оскільки термопара розташована на поверхні зразка, тобто термопара більш сприйнятлива до температури печі, а термоЕРС показує більш об'єктивну картину в обсязі рідкої прошарку. Аналогічний ефект був виявлений авторами

    [13,14] в системах Ga-In і Ga-Sn при вимірюванні температури в зоні контакту дуже тонкої термопарою.

    Така поведінка системи пояснюється тим, що в початковий момент в контактній зоні порушується термічне рівновагу за рахунок поглинання тепла, пов'язаного з утворенням рідкої фази евтектичного складу. Входження системи в стан метастабільного рівноваги, ймовірно, можна пов'язати з тим, що в системі енергетично вигідно формування рідкої фази при найнижчій температурі її стійкого існування. В цьому випадку поглинання тепла на одиницю утворюється рідкої фази істотно менше.

    Такі ж факти можна вловити і при повільному нагріванні контакту зразків. Ці факти свідчать, що процес КП завжди проходить в возмущенном градиентном температурному полі, незважаючи на зовнішню стабілізацію температури.

    Список літератури

    1. Хайрулаев М.Р., Гаврилов Н.И. Фізика контактного плавлення. Махачкала, 1989, Депонировано в ВІНІТІ, № 1727-В89, 149 з.

    2. Хайрулаев М.Р., Дадаєв Д.Х. Тепловий ефект при контактному плавленні в системі Pb-Te. // Fizika, Baki: Elm, 2007. C. XIII, №1-2, P. 71-73.

    3. Дадаєв Д.Х .. Особливості контактного плавлення в системах сурма-телур і свинець-телур. Дисс. канд. фіз.-мат. наук. Махачкала: ДДПУ, 2009. 165 с.

    4. Фарлоу С. Рівняння з приватними похідними для науковців і інженерів. / Пер. з англ М .: Мир, 1985. 384с.

    5. Хансен М, Андерко К. Структури подвійних сплавів. -М.: Металлургиздат, 1962. -Т. 1 -2.1488 з.

    6. Вол А.Є. Будова і властивості подвійних металевих систем. М .: Физматгиз. 1959. т.1-6. 755 с., 1962, т.2, 982 з.

    7. Еліот Р.П. Структури подвійних сплавів. Т.1,2.- М .: Металургія, 1970.- 472 с.

    8. Гаврилов К.І., Хайрулаев М.Р. Про стан кордону тверда фаза-рідина при контактно-реактивної пайку. Адгезія розплавів і пайка матеріалів. К., "Наукова думка», 1984, № 12, С.72-75.

    9. Рогов В.І. Дослідження КП металевих систем тел в дифузійному режимі. Дисс. канд. фіз.-мат. наук. Нальчик: КБГУ, 1969. 183 с.

    10. Щукін Є. Д., Брюханова Л. С., Перцов Н. В. Вплив поверхнево-активних середовищ на механічні властивості твердих тіл // У щорічнику «Фізична хімія. Сучасні проблеми ».

    Під ред. акад. Я. М. Колотиркін. - М .: Хімія,

    1983. с. 46-74.

    11. Щукін Є. Д. Взаємність процесів розриву і перебудови міжатомних зв'язків у твердій фазі і молекулах середовища в ході каталізу // В зб. Механізм каталізу. Ч. 2. - К: Наука,

    1984.

    12. Попович В.В., Дмуховський І.Г. Охрупчі-вання деформуються металів і сплавів, що контактують з легкоплавкими метал-лами .// ФХММ, 1987, т.23, № 16. С.3-13

    13. Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Соза В.А. Контактна плавлення металів і наноструктур на їх основі. М.: Фізматліт.-2008.- 152 с.

    14. Хайрулаев М.Р., Дадаєв Д.Х. Контактна плавлення в простих системах. Монографія. Махачкала, 2013, 196 с.

    ДИНАМІКА ОБ'ЄМНОГО ПЛАВЛЕННЯ парафін В ТРУБОПРОВОДІ рухомого джерела ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

    Фатих М.А.,

    Доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри загальної та теоретичної фізики, Башкирська державний педагогічний університет ім. М. Акмулли, Уфа

    Акчурина В.А.

    Кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри сервісу і управління, Уфимський

    державний нафтовий технічний університет, Уфа

    DYNAMICS MELT VOLUME PARAFFIN PIPELINE MOVING SOURCE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION

    Fatykhov M.

    Doctor ofphysical and mathematical sciences, professor, the head of the department of the general and theoretical physics, Bashkir State Pedagogical University of M. Akmulla, Ufa

    Akchurina V.

    Candidate ofphysical and mathematical sciences, the associate professor of service and management, Ufa

    State Oil Technical University, Ufa

    анотація

    У даній роботі проводяться розрахунки процесу нагріву і розплавлення пробки з твердих відкладень в трубопроводі впливом одного з типів електромагнітних хвиль, здатних поширюватися в ньому, як у круглому хвилеводі. Вважається, що джерело електромагнітних хвиль рухається. Це дозволяє уникати перегріву середовища в одних точках і розплавляти тверді відкладення по всій довжині пробки. При впливі на середу розглянутим типом хвиль виходять складні конфігурації розподілу теплових джерел і температури, особливо в разі рухомого джерела електромагнітних хвиль.

    Abstract

    Calculations of the process of heating and melting the plugs from the solid sediments in the pipe are being carried, with the help of one of the types of electromagnetic waves that can propagate in it, as in a circular waveguide. It is believed that the source of electromagnetic waves is moving. This allows you to avoid overheating in some points melting solid deposits along the length of the plug. When we consider the impact on the medium with the type of waves, complex configurations of the distribution of heat sources and temperature appear, especially in the case of a moving source of electromagnetic waves.

    Ключові слова: Електромагнітні хвилі, трубопровід, парафінові відкладення.

    Keywords: Electromagnetic waves, pipe line, paraffin adjournment.

    Вступ. В процесі експлуатації нафтових трубопроводів при певних умовах (температурі, тиску) на внутрішній поверхні труб утворюються відкладення, викликані випаданням па-

    Рафінья. Такі відкладення можуть повністю закупорити свердловину або трубопровід і зупинити видобуток або транспортування вуглеводнів.

    Для видалення відкладень зазвичай використовується гаряча вода або пар, хімічні і механічні


    Ключові слова: контактна плавлення /діаграми простих систем /автотермоЕДС /contact melting /diagrams of simply systems /autothermoEMF

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити