CC BY
35
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГРАЖДАНСКОЙ ЗАЩИТЫ
УДК 621.78.98.044.7 / 3.002.5:621.373.826
В.И. Цапков, У.В. Костышева
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕКОТОРЫХ ИХ СПЛАВОВ ПРИ БОЛЬШИХ СКОРОСТЯХ НАГРЕВА
Приводятся результаты теоретических оценок и авторских экспериментов по исследованию свойств металлических материалов при быстропротекающих и импульсных тепловых воздействиях.
Ключевые слова: неравновесные эффекты, кратковременный, импульсный нагрев, электросопротивление, твёрдоплавкие металлы и сплавы.
V.Tsapkov, U.Kostysheva
HIGH-TEMPERATURE THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF TRANSITION METALS
AND ALLOYS AT HIGH SPEED HEATING
The article presents the results of theoretical evaluations and authors' personal experiments on researching the properties of metal materials at high-speed and pulse thermal impacts.
Keywords: nonequilibrium effects, short-term, pulse heating, electric resistance, hardly fusible metals and alloys.
1. Введение
Быстропротекающие и импульсные процессы в теоретических и практических задачах, в постановке которых присутствует соотношение интенсивности источника воздействия и защитных свойств объекта, играют определяющую роль. В техногенных авариях этот аспект играет особо актуальную роль.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментального изучения тепло- и электрофизических свойств металлов и сплавов при нагревании электрическим током большой плотности. В условиях быстрого нагревания исследования проводятся в двух основных направлениях: измерение равновесных свойств преимущественно в той области температур, которые трудно достижимы при стационарных условиях нагревания; исследование неравновесных эффектов, обусловленных быстрым нагреванием. Последнее представляет, по-видимому, большой интерес для физики твердого и жидкого состояний. В связи с этим получение экспериментальных данных о неравновесных свойствах вещества представляет самостоятельную задачу.
Метод нагрева образца одиночным импульсом тока большой плотности иногда называется методом взрывающейся проволочки. В этом методе одновременно с током, проходящим через образец, с помощью двухлучевого осциллографа регистрируется и падение напряжения на образце. По этим данным рассчитываются зависимости электросопротивления и вложенной энергии от времени, а также электросопротивления от энергии. Кроме того, можно одновременно измерять ряд других физических величин (например, интенсивность теплового излучения, коэффициент теплового расширения). Рядом авторов сообщалось об обнаружении особенностей поведения металлов при больших скоростях нагрева (107 - 108 К/с) одиночным импульсом тока большой плотности.
Так, например, М.М. Мартынюк [1] обнаружил, что при скорости нагрева 106 - 107 К/с перегрев твердой фазы выше равновесной точки плавления на несколько десятков градусов наблюдается для Pb, In, Ga, Bi, Ag, Zn, Ni и Pt. В работе М.М. Мартынюка, В.И. Цапкова и др. [2] обнаружен перегрев a-фазы титана и циркония соответственно на 90 К и 160 К при скорости нагрева 107 К/с, что более чем на порядок превышает значения, полученные раньше В.Н. Гридневым [3] при скоростях нагрева 103 - 104 К/с.
В экспериментальных работах С.В. Лебедева и сотрудников [4] было обнаружено, что в условиях импульсного нагрева (dT/dt ~ 5-108 К/с) теплоёмкость W, Мо, Та и № в твердом состоянии существенно превысила соответствующие равновесные данные в области температур 0,9Тпл <Т< Тпл. При более низких температурах результаты измерения теплоёмкости совпали с равновесными.
Настоящая работа посвящена исследованию удельного электросопротивления р, введенной энергии Е, теплоёмкости С для ряда тугоплавких d-переходных металлов и их сплавов при скорости нагрева 107 К/с в широком интервале температур и теплоты плавления Ет.
2. Методика эксперимента
Схема экспериментальной установки аналогична приведенной в монографиях [5, 6]. Импульс тока длительностью ~ 400 мкс с почти плоской вершиной формировался искусственной ХС-линией, заряжаемой до напряжения около 3 кВ. При разряде линии ток 1(У) через образец и падение напряжения на нем ЦУ) регистрировались на высокочувствительную пленку с экрана модернизированного двухлучевого осциллографа С1-17. Модернизация заключалась в разработке генератора временной развертки осциллографа, обладающего малой нелинейностью (1 - 1,5 %). Для регистрации оптического излучения образца в работе использовался фотоприёмник на основе операционного усилителя на интегральной микросхеме. Особенностью примененного фотоприёмника в отличие от описанного в [5, 6] является использование в качестве датчика вместо обычного фотодиода светодиода, работающего в режиме фотодиода. Так как светодиод в таком режиме работает как узкополосный фотоприёмник, то это позволяет обойтись без монохроматизирующих устройств (монохроматизация необходима для измерения температуры яркостным пирометром), что существенно упрощает конструкцию установки и стабильность её работы. Сигнал с фотоприёмника «(У) после усиления поступал на другой осциллограф, развертка которого работала синхронно с разверткой первого осциллографа. Полученные кривые 1(0, ЦУ) и «(У) оцифровывались с помощью слайд-сканера и компьютера. По осциллограммам тока и напряжения на компьютере рассчитывали временные зависимости относительного электросопротивления проводника R(t)/R0 - электросопротивление образца при температуре Т0; Т0 = 298 К) и введенной в него энергии Е(У), строилась зависимость Е(Т), определялась температурная зависимость теплоёмкости С(Т). Начало ^ и конец плавления определялись по характерным точкам перегиба на осциллограммах ЦУ). У сплавов начало и конец плавления на осциллограммах ЦУ) практически не фиксируется, поэтому для этой цели использовались осциллограммы оптического излучения, которое регистрировалось синхронно с током и напряжением. Температура Т для металлов определялась по известной зависимости р(Т), а для сплавов измерялась яркостным методом по оптическому излучению. Образцы представляли собой проволочки диаметром 0,28 - 0,52 мм, длиной 33 - 58 мм.
3. Результаты и их обсуждение
В качестве примера на рис. 1 показаны осциллограммы ЦУ) и 1(У) для РУ.
Рис. 1. Осциллограммы для платины: 1 - нулевая линия для и (отклонение вверх); 2 - нулевая линия для I (отклонение вниз); вертикальные линии указывают начало и конец плавления
В табл. 1 и 2 приведены значения Е и р в начале (индекс 1) и в конце плавления (индекс 2), а также теплота плавления Ет для исследованных материалов.
Таблица 1
Экспериментальные данные параметров плавления переходных ^-металлов (С1 - теплоёмкость твердой фазы вблизи точки плавления)
Металл E, кДж/моль р, мкОм-см Р2/Р1 С1, кДж/моль
Ei E ^m E2 р2 P1
W 116 53,0 169 129 118 1,09 63,0
Ta 95,5 34,5 130 131 118 1,11 42,0
Mo 85,8 37,0 122,8 97,6 82,0 1,19 55,0
Nb 76,8 29,8 106,6 106 92,0 1,15 44,1
Pt 54,4 22,9 77,3 88,6 60,9 1,47 35,3
Ir 82,5 35,2 117,7 90,8 68,8 1,32 43,1
Rh 66,5 25,6 92,1 92,9 61,5 1,51 47,1
Погрешность определения р1 и р2 составляет 4 - 6 %, Е1, Е2 и Ет - 6 - 8 %, С - 8 - 10 %. Погрешность определения температуры плавления ~ 4 - 5 %. Сравнение с имеющимися литературными экспериментальными данными, полученными при медленном нагреве, показывает, что они в пределах указанных погрешностей хорошо согласуются. Полученные в данной работе зависимости Е(Т) и С(Т) также хорошо согласуются с таковыми для медленного нагрева.
Таблица 2
Параметры плавления сплавов на основе вольфрама и железа (ДО - изменение энтропии при плавлении, Тпл - температура плавления)
Сплав р, мкОм-см Р2/Р1 E, кДж/кг Тпл, К AS, Дж/моль-К
Р1 Р2 E1 E2 E ^m
ВАР-3 119 130 1,09 639 903 264 3620 13,4
ВР-5 119 126 1,06 630 888 258 3540* 13,4*
ВАР-10 115 124 1,08 529 779 250 3510* 13,1*
ВР-20А 122 128 1,05 609 854 245 3430 13,2
МВ-50-1А 88,3 102 1,16 850 1200 350 3110* 14,2*
12Х18Н9Т 129* 135* 1,05* 857* 1117* 260* - -
* - результаты получены впервые.
Таким образом, можно утверждать, что для исследованных в работе переходных металлов и их сплавов при скоростях нагрева 107 К/с неравновесные эффекты в пределах указанных выше погрешностей эксперимента не влияют на поведение E, р и C в широком интервале температур, включая область плавления.
Литература
1. Мартынюк М.М. Фазовые переходы при импульсном нагреве. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1999. - 332 с.
2. Мартынюк М.М., Цапков В.И., Пантелейчук О.Г., Каримходжаев И. Исследование физических свойств металлов методом импульсного нагрева. - М.: Изд-во Университета дружбы народов, 1972. - 130 с.
3. Гриднев В.Н., Мешков Ю.Я., Черненко Н.Ф. Критические точки сплава титан-хром при быстрых нагревах // Вопросы физики металлов и металловедения. № 17, 1963. - С. 143-146.
4. Лебедев С.В., Савватимский А.И. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности // Успехи физических наук. - 1984. - Т. 141.- № 2. - С. 215-250.
5. Цапков В.И., Римский Н.Н. Зависимость электросопротивления от введенной энергии и тепловое излучение сплавов на основе вольфрама, молибдена и ниобия в области высоких температур. - М.: Компания "Спутник+". - 2004. - 116 с.
6. Цапков В.И., Анурин В.О. Фазовые переходы в редкоземельных металлах и сплавах на основе меди и никеля при импульсном нагреве. - М.: ГП "Фирма "Мортехинформреклама", 2001. - 80 с.
