CC BY
54
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №11_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 669.1
С.Ж.Иброхимов, Б.Б.Эшов*, академик АН Республики Таджикистан И.Н.Ганиев,
З.В.Кобулиев, Н.Ф.Иброхимов
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ СПЛАВА АМг4, ЛЕГИРОВАННОГО ЛАНТАНОМ
Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими, Государственное научно-экспериментальное и производственное учреждение АН Республики
Таджикистан
Представлены результаты исследования температурной зависимости теплоёмкости и термодинамических функций алюминиево-магниевого сплава АМг4, легированного лантаном. Зависимость удельной теплоёмкости сплава АМг4, легированного лантаном, характеризуется незначительным понижением по мере роста концентрации лантана в сплаве и соответственно повышением при увеличении температуры. В закономерностях изменения температурной зависимости термодинамических функции наблюдается увеличение значений энтальпии и энтропии с повышением концентрации лантана и уменьшением энергии Гиббса.
Ключевые слова: сплав АМг4, теплоёмкость, коэффициент теплоотдачи, энтальпия, энтропия, энергия Гиббса.
Алюминиево-магниевые сплавы имеют широкое применение в качестве конструкционного материала. Магний существенно повышает прочность алюминия. Каждый процент (по массе) магния повышает прочность алюминия примерно на 30 МПа. Относительное удлинение сохраняется достаточно высоким (до 11-12% Мg). Сплавы, содержащие до 8% Мg, термически не упрочняются. Лишь при содержании более 8% Мg сплавы системы А1-Мg упрочняются в результате термической обработки. Однако деформируемые сплавы с таким содержанием магния не находят применения. При повышенной концентрации магния (более 6%) резко ухудшается коррозионная стойкость, сплавы становятся склонными к коррозии под напряжением [1]. Некоторые сведения о теплофизических свойствах металлического алюминия, магния и редкоземельных металлов, а также двойных алюми-ниево-магниевых сплавов приведены в работах [2,3]. По данным работы [4], коэффициенты электронной теплоёмкости алюминия и магния равны 1.35 и 1.3 мДж/(моль-К2), соответственно. Согласно работе [5], средний коэффициент линейного расширения и удельная теплоёмкость практически не зависят от содержания магния. Что касается влияния третьих компонентов на теплофизические свойства и термодинамические функции алюминиево-магниевых сплавов, то такие сведения в литературе недостаточны [6,7].
Результаты и их обсуждение
В работе в режиме „охлаждения" исследована температурная зависимость теплоёмкости сплава АМг4, легированного лантаном, в интервале температур 293-773 К. Данный метод авторами
Адрес для корреспонденции: Иброхимов Сухроб Жанайдуллоевич. 734042, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр.акад. Раджабовых,10, Таджикский технический университет. Е-таИ: [email protected]
[8,9] был исползован для измерения теплоёмкости алюминия различных марок, а также меди, цинка, свинца и других металлов. Полученные результаты удовлетворительно совпадают с ранее измеренными и расхождение составляет не более 1%. Измерения проводились на установке, достаточно подробно описанной в работах [3,6-9]. Для измерения температуры использован измеритель Digital Multimeter UT71B, который позволял осуществлять прямую фиксацию результатов на компьютере в виде таблицы. Обработка результатов и построение графиков производились с применением программ MS Excel и Sigma Plot. Коэффициент регрессии при этом составлял не менее 0.98. Точность измерения температуры 0.1°С. Содержание лантана в сплаве АМг4 составляло от 0.01 до 0.5 мас.%. Исследуемые объекты имели цилиндрическую форму диаметром 16 мм и высотой 30 мм. Результаты исследования представлены на рис.1-3 и в табл.1-4.
Экспериментально полученные данные температурной зависимости скорости охлаждения образцов сплава АМг4 с лантаном от времени представлены на рис.1.
Рис. 1. Температурная зависимость скорости охлаждения сплава АМг4 с лантаном.
Все кривые (рис.1), относящиеся к сплавам, содержащим лантан, лежат ниже кривой, относящейся к исходному сплаву АМг4. Полученные зависимости скорости охлаждения сплавов (рис.1)
описываются уравнением вида:
Т = —a exp (—Ьг) — р exp(—ктг),
(1)
где а Ь, р, к - постоянные для данного образца, т - время охлаждения.
Дифференцируя уравнение (1), получаем выражение для определения скорости охлаждения
сплавов:
dT dr
= — abexp (—br) — рк exp(—kr).
(2)
Значения коэффициентов в уравнении (2) приведены в табл.1.
Таблица 1
Значения коэффициентов a, Ь, p, к, ab, pk в уравнении (2) для сплава АМг4 с лантаном.
Содержание La в сплаве АМг4, мас. % а, K Ь x 10-3, c-1 р, K k x10-5 ,c-1 аЬ, Kc-1 рк,
0.0 427.96 3.1 353.12 9.82 0.13 0.034
0.01 427.95 3.09 353.11 9.81 1.32 0.034
0.05 427.74 3.09 352.94 9.81 1.32 0.034
0.1 427.53 3.09 352.76 9.81 1.32 0.034
0.5 425.82 3.08 350.35 9.77 1.31 0.034
Используя вычисленные по правилу аддитивности теплоёмкости сплава АМг4 и экспериментально полученные величины скорости охлаждения, нами был рассчитан коэффициент теплоотдачи а (Вт/Км2) для сплава АМг4 по следующей формуле:
ст
а =
йТ^ йт
(т - г0) • Г
(3)
где m и - масса и площадь поверхности образца, Т и То - температура образца и окружающей среды, соответственно. Для сплава АМг4 уравнение температурной зависимости коэффициента теплоотдачи имеет вид
=-2.9820 - 0.0138Т + 0.0001173 Т2 - 8.8945 •10-8Т3.
На рис.2 представлена температурная зависимость коэффициента теплоотдачи сплава АМг4 с лантаном, для которого характерно повышенное значение коэффициента теплоотдачи при высоких температурах, в частности для сплавов, содержащих 0.1-0.5 мас.% лантана.
Рис.2. Температурная зависимость коэффициента теплоотдачи сплава АМг4 с лантаном.
Далее с учётом экспериментально полученных значений скорости охлаждения образцов и коэффициента теплоотдачи вычислили удельную теплоёмкость сплавов (табл.2) по уравнению
С = |а(Т) ^ (Т - T) / \mKdT / dт)]
Обрабатывая имеющиеся литературные и экспериментальные данные по теплоёмкости сплава АМг4 и легирующего элемента - лантана, с помощью программы Sigma Plot получили следующие уравнения температурной зависимости удельной теплоёмкости сплава АМг4 и лантана (в скобках указаны соответствующие коэффициенты регрессии):
= 415.2996 + 1.0233T - 0.00064973T2 + 1.0236 -10-6 T3 (R=0.9997)
CpLa = 228.9019 - 0.1873T + 2.9002 104T2 - 9.3573 -108T3 (R=0.9997)
и сплава АМг4 с лантаном, мас.% La:
0.01% La Cp = 415.2810 +1.0232 T + 6.4969 • 10-4T2 -1.0235 -10 6 T3;
0.05% La CP = 415.2064 +1.0227 T + 6.4955-10-4 T2 -1.0231 -10 6 T3
0.1% La CP = 415.1132 +1.02217 T + 6.4937 -10-4 T2 -1.0227 -10 6 T3.
?
0.5% La CP = 414,3676 +1.0172 T + 6.4793-10-4 T2 -1.0189-106 T3
Результаты расчёта удельной теплоёмкости сплавов приведены в табл.2.
Таблица 2
Температурная зависимость удельной теплоёмкости (Дж/кг- К) сплава АМг4 с лантаном
Т,К Содержание лантана в сплаве АМг4, мас.%
0.0 0.01 0.05 0.1 0.5
300 753.13 753.08 752.85 752.57 750.33
350 809.16 809.11 808.86 808.55 806.07
400 863.07 863.01 862.74 862.40 859.71
450 914.08 914.02 913.73 913.36 910.47
500 961.43 961.37 961.06 960.67 957.59
550 1004.36 1004.29 1003.96 1003.55 1000.31
600 1042.08 1042.01 1041.67 1041.24 1037.86
650 1073.85 1073.78 1073.43 1072.98 1069.48
700 1098.88 1098.81 1098.45 1097.99 1094.41
750 1116.42 1116.34 1115.98 1115. 87 1111. 51
800 1125.68 1125.61 1125.25 1124.77 1121.13
Как видно из табл. 2, с повышением содержания лантана в сплаве АМг4 удельная теплоёмкость уменьшается, а с увеличением температуры повышается.
Для расчёта температурной зависимости энтальпии, энтропии и энергии Гиббса использовали интегралы от молярной теплоёмкости:
Т Т
1 +
0
H(T) = H(0)+ J Cp (T)dT , S = J Cp (T)d£nT , G(T) = H(T) - TS(T)
Получены следующие уравнения, описывающие температурную зависимость энтальпии (Дж/моль) для сплава АМг4 (табл.3):
H(T) = H(0) +11,1632 T + 0,0135 T2 + 5.821 -10 6 T3 - 6,8785 • 10 9 T4 и сплавов с лантаном, мас % :
0.01% LaН(Т) = Н(0) + 11.1669Т + 0.0137Т2 -10 -Т3 ^>.8802 10 --Т4.
;
0.05% LaН(Т) = Н(0) + 11.1015Т +0.0137 Т2 -10 -6Т3 ^^88^80 10 -Т4
0.1% LaН(Т) = Н(0) +11.1 6692039Т +0.0137 Т2 +5.802 10 -Т3 ^>.9900 11 -Т4 0.5% LaН(Т) = Н(0) + 11.3702Т +0.0139Т2 +5.9266 -10 -Т3 Ш -9Т4
Температурная зависимость энтропии для сплава АМг4 (рис.3) выражается уравнением: 5(Т) = 11,16321пТ + 0,0275Т + 0,7315 -10"бТ2 -9,1713 -109Т3 для сплавов с лантаном, мас. %:
0.01% La 5(Т) = 11,116691п Т + 0,0275Т + 0.735 - 10-6Т2 - 9.1736 - 109Т3 0.05% La 5(Т) = 11,110151п Т + 0,0275Т + 0.726 - 10-бТ2 - 9.102 - 109Т3 0.1 % La 5(Т) = 11,20391п Т + 0,0275Т + 0.763 -10-6Т2 -9.2006 -10~9Т3
0.5 % La 5(Т) = 11,37021пТ + 0,0279Т + 0.0095 -10-6Т2 -9.3193 -10-9Т3 Результаты расчёта энтропии сплавов представлены на рис.3.
Температурная зависимость энергии Гиббса для сплава АМг4 выражается уравнением: 0(Т) = -11,1632Т(1п Т -1) - 0,01375Т2 - 2,9105 -10-6Т3 + 2,2920 -109Т2 для сплавов с лантаном, мас.%:
0.01% La С(Т) = -11.1669Т(1пТ-1) - 0.0137Т2 -2.9117 - 106Т3 + 2.2932 - 109Т4.
;
0.05% La О(Т) = -11.11015Т(1пТ-1) -0.0137Т2 -2.9152-10-6Т3 + 2.996-10~9Т4.
;
0.1% La О(Т) = -11.2039Т(1пТ -1) -0.0137Т2 -2.921 -10- + 2.3 -10-Т4; 0.5%Ьа в(Т) = -11.3702Т(1пТ -1) - 0,0139Т2 - 2.9632 - 10~6Т3 + 2.3290 - 109Т4 Температурная зависимость энергии Гиббса для сплава АМг4 с лантаном приведена в табл.4.
Рис. 3. Температурная зависимость энтропии сплава АМг4 с лантаном.
Таблица 3
Температурная зависимость энтальпии (Дж/молыК) сплава АМг4 с лантаном
Т,К Содержание лантана в сплаве АМг4, мас.%
0.0 0.01 0.05 0.1 0.5
300 4.69 4.68 4.69 4.70 4.77
350 5.74 5.73 5.74 5.75 5.83
400 6.86 6.86 6.86 6.87 6.97
450 8.06 8.05 8.05 8.07 8.18
500 9.32 9.31 9.31 9.33 9.46
550 10.64 10.63 10.63 10.65 10.80
600 12.01 12.00 12.01 12.02 12.20
650 13.44 13.42 13.43 13.44 13.64
700 14.90 14.88 14.89 14.90 15.12
750 16.39 16.36 16.37 16.39 16.64
800 17.89 17.86 17.88 17.90 18.16
Таблица 4
Температурная зависимость энергии Гиббса (кДж/молК) сплава АМг4 с лантаном
Т,К Содержание лантана в сплаве АМг4, мас.%
0.0 0.01 0.05 0.1 0.5
300 -17.05 -17.05 - 17.07 - 17.10 - 17.36
350 -20.75 -20.76 - 20.78 - 20.82 - 21.13
400 -24.61 -24.62 - 24.64 - 24.69 - 25.06
450 -28.61 -28.62 - 28.65 - 28.71 - 29.13
500 -32.75 -32.76 - 32.80 - 32.86 - 33.35
550 -37.02 -37.03 - 37.07 - 37.14 - 37.69
600 -41.41 -41.42 - 41.47 - 41.54 - 42.16
650 -45.92 -45.93 - 45.99 - 46.07 - 46.75
700 -50.54 -50.55 - 50.61 - 50.70 - 51.45
750 -55.26 -55.28 - 55.34 - 55.44 - 56.26
800 -60.09 -60.10 - 60.17 - 60.27 - 61.17
Как видно, с повышением содержания лантана значения энтальпии и энтропии увеличиваются, а величина энергии Гиббса уменьшается, особенно для сплавов, содержащих более 0.1 мас.% лантана.
Выводы
1. В режиме «охлаждения» исследованы температурные зависимости теплофизических свойств (коэффициент теплоотдачи, теплоёмкость) и термодинамические функции (энтальпия, энтропия, энергия Гиббса) сплава АМг4, легированного лантаном. Установлено, что с ростом содержания лантана в сплаве теплоёмкость незначительно уменьшается, а при увеличении температуры теплоёмкость повышается.
2. С повышением температуры и содержания лантана энтальпия и энтропия сплавов увеличивается, а энергия Гиббса уменьшается.
Поступило 22.08.2015 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: Учеб. пособие. -Красноярск: СФУ, 2008, 312 с.
2. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (Состав, свойства, технология, применение). Справочник. Под общ.ред. И.Н.Фридляндера. Киев:КОМИТЕХ, 2005, 365 с.
3. Муллоева Н.М., Ганиев И.Н., Махмадуллоев Х.А., Теплофизические и термодинамические свойства сплавов свинца с ЩЗМ. - Германия: Изд. дом LAP LAMBERT Academic Publishinq, 2013,152 с.
4. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справочник. - М.: Металлургия, 1989, 384 с.
5. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. - М.: Машиностроение,1975, 216 с.
6. Иброхимов С.Ж., Эшов Б.Б., Ганиев И.Н., Иброхимов Н.Ф. Влияние скандия на физико-химические свойства сплава АМг4. - Известия Самарского научного центра РАН, 2014, т.16, №4, 256 с.
7. Ганиев И.Н., Муллоева Н.М., Низомов З., Обидов Ф.У., Иброхимов Н.Ф. Температурная зависимость теплоёмкости и термодинамических функций сплавов системы Pb-Ca. - ТВТ, 2014, т. 52, №1, с.147.
8. Низомов З., Гулов Б.Н., Ганиев И.Н., Саидов Р.Х., Обидов Ф.У., Эшов Б.Б. Исследование температурной зависимости удельной теплоёмкости алюминия марок ОСЧ и А7. - ДАН РТ, 2011, т.54, №1, с.53-59.
9. Гулов Б.Н., Саидов Р.Х., Авезов З. Измерение удельной теплоёмкости твёрдых тел методом охлаждения. - Вестник Таджикского национального университета, 2010, вып.3. (59), 136 с.
С.Ж.Иброхимов, Б.Б.Эшов*, И.Н.Ганиев, З.В.Кобулиев, Н.Ф.Иброхимов
ХОСИЯТ^ОИ ГАРМОФИЗИКЙ ВА ФУНКСИЯ^ОИ ТЕРМОДИНАМИКИИ ХУЛАМ АМг4, КИ БО ЛАНТАН ^АВ^АРОНИДА ШУДААСТ
Донишго^и техникии Тоцикистон ба номи М.Осимй, *Муассисаи Давлатии илмй-тадкцкртй ва исте^солии Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон
Вобастагии хдроратии гармигунчоииши хулаи АМг4 бо лантан дар речаи «хунуккунй» омухта шудааст. Модели риёзй ба даст оварда шудааст, ки вобастагии гармигунчоиш, коэффитсенти гармидихй, хосиятхои термодинамикии хулаи бо лантан чавхаронидашудаи АМг4-ро, аз харорат ва таркиб нишон медихад. Муайян карда шудааст, ки бо зиёдшавии лантан ва хдрорат гармигунчоиши хос, коэффитсенти гармидихй, энтальпия ва энтропия зиёд шуда, энергияи Гиббс кам мешавад.
Калима^ои калидй: хулаи АМг4, гармигущоиш, коэффитсиенти гармидщй, энтальпия, энтропия, энергияи Гиббс.
S.J.Ibrahimov, B.B.Eshov*, I.N.Ganiev, Z.V.Kobuliev, N.F.Ibrahimov THERMOPHYSICAL PROPERTIES AND THERMODYNAMIC FUNCTIONS OF
ALLOY AMg4-DOPED LANTHANUM
M.Osimi Tajik Technical University, State scientific experimental and production facility, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan The temperature dependence of the heat capacity of the alloy AMg4 with lanthanumin in the mode of "cooling" are studied. The obtained mathematical model describes the dependence of the heat capacity, heat transfer coefficient, thermodynamic functions AMg4 alloy, doped with lanthanum, temperature and composition. It is shown that with increasing content of lanthanum and temperature specific heat capacity, heat transfer coefficient, enthalpy and entropy increase, the Gibbs energy decreases. Key words: alloy AMg4, thermal capacity, transfer coefficient, enthalpy, entropy, Gibbs energy.
