Поверхностное натяжение жидких бинарных сплавов металлов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

К. Б. Панфилович, Э. Э. Валеева

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКИХ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ

Рассмотрено применение теории размерностей к поверхностному натяжению жидких сплавов.

В научной литературе опубликовано большое количество экспериментальных данных по поверхностному натяжению жидких сплавов [1-3]. Надежные теоретические соотношения, справедливые в широких интервалах температур и концентраций, для расчета поверхностного натяжения жидких металлических сплавов отсутствуют. В статье рассмотрено применение теории размерностей к поверхностному натяжению жидких сплавов.

Авторы работы [4] для относительных коэффициентов поверхностного натяжения чистых жидких металлов получили соотношение:

и=1,811ехр(-0,0594- Б/^, (1)

11 °

где U = —.

о 1

о 1

о

Р m Р

, о - коэффициент поверхностного натяжения, рт и р - плот-

ности сплава при температуре плавления и текущей температуре соответственно, с1

масштабный комплекс, Б - энтропия, Я - универсальная газовая постоянная.

Обычные коэффициенты поверхностного натяжения находятся как:

2

о = К

_Р_

Р m

exp

S л

■0,0594-

R

(2)

где Ка=1,811о1 - масштабный коэффициент поверхностного натяжения.

Рассмотрена возможность использования уравнения (1) для жидких сплавов металлов. Энтропия бинарного сплава равна

Зспл = Х131 + Х2Э2 — ДЭс!^ (3)

Х1 и Х2, Э1 и Э2 - мольные доли и энтропия чистых металлов. Поправка на смешение для

бинарного сплава может быть записана в виде

АН

+ Щх1!па1 + х2!па2), (4)

Т

где

ДН

эИзб = -—+R(x1|n її + Х2ІП у 2);

(5)

(6)

Sид = R(x1Іn Хі + Х2ІП х 2);

АН - энтальпия смешения, а, - активность; у - коэффициент активности; АSИЗб - избыточная энтропия смешения; АSИд - идеальная энтропия смешения.

Степень отклонения поведения сплава от регулярного характеризует величина избыточной энтропии смешения. При приближении свойств сплава к регулярным АSИЗб стремится к нулю. Поэтому при определении энтропии смешения во всем интервале концентраций сплава учитывалась именно избыточная составляющая энтропии смешения сплава.

2

3

*

3

Рис. 1 - Относительные коэффициенты поверхностного натяжения жидких сплавов:

Сплавы

№ кри- Дд-Бп [5] РЬ-Бп [1] А1-№ [1] Сы-Бп [1] С^п [1]

вых атомные доли первого компонента в сплаве

1 0 0 0 1 0,08

2 0,954 0,2 0,103 0,93 0,2

3 0,889 0,261 0,5 0,75 0,3

4 0,75 0,5 0,6 0,65 0,4

5 0,623 0,7 0,767 - 0,5

6 0,48 1 0,84 - 0,6

7 0,372 - 0,9 - 0,7

8 0,215 - 1 - 0,8

9 1 - - - 0,9

В статье приводятся относительные коэффициенты поверхностного натяжения с

вов 0Ь-7п, Оы-Эп, А!-Ы1, РЬ-Эп, Дд-Эп, (рис. 1). Линии соответствуют уравнению (1). Сплав ОЬ^п рассчитан при при 01 , равном а при значении энтропии Э/Р=10. Остальные сплавы для удобства изображения смещены вверх относительно сплава ОЬ^п на 0,5; 1; 1,5 и 2 единицы шкалы вертикальной оси.

Рис. 2 - Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения сплавов Сы-Бп, Д1-Ы1, Cd-Zn (по оси х указаны атомные доли первого компонента в сплаве)

Рис. 3 - Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения сплавов Дд-Бп, РЬ-Бп (по оси х указаны атомные доли первого компонента в сплаве)

Сплав ОЬ^П - эвтектическая система с равной нулю избыточной энтропией смешения [6]. Сплав относится к регулярным растворам. Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения изменяются от состава практически аддитивно (рис. 2).

Сплав Оы-Эп имеет сложную диаграмму состояния с образованием интерметаллических соединений [7]. Масштабные коэффициенты несколько ниже аддитивных величин (рис. 2).

Сплав ЛІ-ИІ является соединением неэлектронного типа с максимумом на линии ликвидуса [7]. Максимум на линии ликвидуса соответствует максимуму на зависимости мас-

штабных потоков поверхностного натяжения от концентраций при 0,5 атомных долях алюминия. Избыточная энтропия смешения сплава отрицательная [8]. Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения выше аддитивных во всей области концентраций. (рис. 2)

Сплав РЬ-Эп относится к эвтектическим системам, имеющим точку перегиба на одной из линии ликвидуса. Сплав РЬ-Эп относится к системам с областью несмешиваемости [7]. При температуре выше эвтектической в сплаве наблюдается разделение на две жидкости: одну - богатую оловом и другую - богатую свинцом. Перегиб на зависимости масштабных коэффициентов поверхностного натяжения от концентраций при 0,2 мольных долях свинца соответствует эвтектической точки. Избыточные энтропии смешения во всей области концентраций являются отрицательными.

Сплав Ад-Эп - эвтектический с электронными соединениями без максимума на линии ликвидуса. Возможно образование двух расслаивающихся структур из чистого олова и жидкого сплава Ад-Эп, содержащего примерно 25% (ат.) олова. Избыточная энтропия сплава положительна [9]. При концентрации 35% серебра наблюдается аномальное поведение избыточной энтропии. Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения (рис.3) показывают значительные отклонения от аддитивности для сплава Ад-Эп.

Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения чистых жидких металлов пропорциональны температуре Дебая 0 во второй степени [4]

К0 = 5,89-10"4ц62, (7)

где т=х1т1+х2т2, т - атомная масса ьго компонента.

По этому уравнению рассчитаны температуры Дебая для сплавов при известных величинах Ко (табл. 1).

Таблица 1 - Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения и температура Дебая жидких сплавов

Ад- Бп ХАд Ка 0 1 1042 128 0,954 1122 133 0,889 1130 133 0,75 1153 133 0,623 1156 132 0,48 1224 135 0,372 1358 142 0,215 1380 142 0 984 119

РЬ- Бп ХРЬ Ка 0 0 984 119 0,2 863 104 0,261 877 102 0,5 865 95 0,7 871 91 1 879 85

Си- Бп ХСи Ка 0 1 2500 259 0,93 2032 226 0,75 1439 178 0,65 1282 162 0 984 119

А!-Ы1 ХА1 Ка 0 0 3613 323 0,103 3411 323 0,5 2870 337 0,6 2558 331 0,767 2065 319 0,84 1811 310 0,9 1690 308 1 1524 310

са- 3 ^ ХК 0,08 1346 0,2 1282 0,3 1267 0,4 1244 0,5 1236 0,6 1227 0,7 1219 0,8 1208 0,9 1194

Zn

е

182

171

165

158

154

149

145

141

137

В литературе имеется ограниченная информация по температурам Дебая жидких сплавов. В работе [10] она найдена по потокам теплового излучения небольшого числа жидких металлов и сплавов. Проведено сравнение температур Дебая для сплава Оы-Эп, полученных в работе [10] с рассчитанными значениями по уравнению (7) (рис. 4). Концентрационные зависимости температур Дебая совпадают в пределах 20%. Расхождение рассчитанных температур Дебая для жидкой меди и сплавов, богатых медью, можно объяснить тем, что при расчете энтропии [11] использовались независящие от температуры теплоемкости жидкой меди.

Авторами работы [10] для теплового излучения жидких металлов получено уравнение

2

_P_

P m

exp

S

1,4414-

R

После почленного деления этого уравнения на уравнение (2), найдем

exp 1,5—

s

qs

R

(8)

(9)

где KqCT_Kq/KCT-

з

Рис. 4 - Температуры Дебая жидкого сплава Сы-Бп, рассчитанные из данных по поверхностному натяжению (1) и по тепловому излучению (2)

Справедливость этого уравнения подтверждают расчеты степеней черноты жидких металлов по их поверхностному натяжению (рис. 5). Уравнение (9) дает возможность при известных значениях поверхностного натяжения жидких металлов находить их тепловое

излучение и наоборот. Кроме того, оно позволяет взаимосогласовывать и взаимоувязывать

Рис. 5 - Степень черноты жидких металлов. Точки - экспериментальные данные [10], сплошные линии - рассчитанные значения по уравнению (9)

Литература

1. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов (одно- и двухкомпонентные системы): Справочник. М.: Металлургия, 1981. 208с.

2. Поверхностные явления в расплавах. «Наукова думка». Киев. 1968. 488с.

3. Попелъ С.И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994. 334с.

4. Панфилович К.Б., Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение чистых металлов. //Вестник Казанского технол. ун-та 2006. №1. С. 131-139.

5. Lauermann J., Metzger G., Sauerwald F. Oberflachenspannungen von schmelzflussigem Silber, Zinn und Sibrer-Zinn-Legierungen // Z. Physic. Chem. 1961. V.216. №1/4. C.42-49.

6. Зефиров А.П. Термодинамические свойства неорганических веществ: Справочник. М.: Атом-издат, 1965. 460с.

7. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1972. 247с.

8. Баталин Г.И., Белобородова Е.А., Казимиров В.П. Термодинамика и строение жидких сплавов на основе алюминия. М.: Металлургия, 1983. 160с.

9. Hultgren R., Desai P.T., Hawkins D.T. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. - New York: American Society of Metals, 1973. - 1275p.

10. Панфилович К.Б., Сагадеев В.В., Голубева И.Л. Тепловое излучение жидких металлов // Расплавы. 2005. №4. С.86-92.

11. www. dvo. ru/fire/info. htm

© К.Б. Панфилович - д-р техн. наук, проф., каф. вакуумной техники электрофизических установок; Э.Э. Валеева - асп. той же кафедры.