ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОЕМКОСТИ ЛЕГИРОВАННЫХ ЩЗМ СПЛАВОВ Zn5Al, Zn55Al

АННОТАЦИЯ

Исследовано зависимости теплоемкости сплавов Zn5Al и Zn55Al, легированных щелочноземельными металлами от температуры методом охлаждения. Показано, что теплоемкость легированных сплавов меньше, чем для исходного сплава и с повышением температуры растет, а с ростом концентрации легированного металла меняется по-разному.

Ключевые слова: теплоемкость, щелочноземельные металлы, цинк-алюминиевые сплавы, температурная зависимость, концентрация.

1. ВВЕДЕНИЕ

Теплофизические свойства металлов и сплавов являются важнейшими физическими характеристиками, определяющими закономерности поведения их при различных условиях эксплуатации. Исследование теплофизических свойств легированных алюминиевых сплавов, является одной из актуальнейших проблем материаловедения, как с фундаментальной точки зрения, так и в плане практического применения их результатов при решении инженерных и технологических задач по разработке металлических композиционных материалов с заданными свойствами.

Объекты исследования. Объектами исследований являются сплавы Zn55Al и Zn5Al на основе алюминия марки A7 легированными ЩЗМ (Be, Mg, Ca, Sr, Ba). Выбор исследуемых объектов основан перспективой их применения преимущественно в различных областях промышленности и техники. Все сплавы разработаны, получены и изучены их коррозионностойкость в лаборатории «Коррозионностойкие материалы» Института химии им. В.И. Никитина Академии наук Республики Таджикистан под руководством академика И.Н. Ганиева.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Основная задача настоящей работы заключается в исследования кинетики и механизма охлаждения алюминия марки A7, Zn55Al, Zn5Al и легированных ЩЗМ сплавов Zn55Al и Zn5Al, а также  выявление температурной зависимости теплоемкости сплавов Zn55Al и Zn5Al, легированных ЩЗМ в интервале 293÷673 К.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Было исследовано кинетики охлаждения легированных ЩЗМ сплавов Zn5Al и Zn55Al в интервале температуры от 300К до 673К методом охлаждения [1,2]. Экспериментально полученные временные зависимости (базовая линия) температуры образцов с достаточно приемлемой точностью можно описать следующим выражением:

              (1)

где ,  - разности температур нагретого тела и окружающей среды, в моменте начало измерений,  и  - постоянного охлаждения, как для первого, так и для второго релаксационных процессов.

Дифференцируя (1), получаем уравнение для скорости охлаждения:

,                                (2)

где DТ₀₁/ и DТ₀₂/ – соответственно амплитуды скоростей охлаждения первого и второго релаксационного процесса. Погрешность в определение скорости охлаждения при высоких температурах намного меньше, чем для скорости охлаждения при температурах близких к температуре окружающей среды.

При определении значения теплоемкости легированных сплавов Zn5Al и Zn55Al по формуле [3]

                                     (3)

было использовано уравнения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи исходных сплавов [4]:

,         (4)

,          (5)

где x=(Т-300)/100. При этом предполагали, что коэффициент теплоотдачи легированного сплава не зависит от концентрации легирующего металла. Значения коэффициентов в уравнении температурной зависимости молярной теплоемкости легированных щелочноземельными металлами сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Значение коэффициентов в уравнении  молярной теплоемкости легированных ЩЗМ сплавов Zn5Al и Zn55Al 

При использовании в инженерных расчетах удобнее использовать переменную  x=(T-300)/100. В таблице 2 приведено температурная зависимость теплоемкости от этой переменной.

Таблица 2.

Значение коэффициентов в уравнении молярной теплоемкости легированных ЩЗМ сплавов Zn5Al и Zn55Al в переменной x=(T-300)/100​ 

В качестве примера на рис. 1-3 приведено зависимость удельной теплоемкости легированных различных концентраций магния, бериллия и стронция сплава Zn55Al от температуры.

Рисунок 1. Зависимость удельной теплоемкости сплава Zn55Al, легированных различных концентраций магния

Рисунок 2. Зависимость удельной теплоемкости сплава Zn55Al легированного различными концентрациями бериллия

Рисунок 3. Зависимость удельной теплоемкости сплава Zn55Al легированного различными концентрациями стронция: 2-0.01%, 3-0.05%

Исследование показало, что удельная теплоемкость легированного магнием, бериллием, кальцием и стронцием сплава Zn55Al больше, чем исходного и с повышением температуры растет. Теплоемкость легированного магнием сплава с ростом концентрации до 0,05 масс.% увеличивается и при дальнейшем повышении концентрации магния уменьшается и становится меньше чем исходного сплава. Теплоемкость легированного сплава с ростом концентрации до 0.01 масс. % бериллия  увеличивается и при дальнейшем повышении концентрации бериллия уменьшается.

На рис. 4-5 приведены зависимости теплоемкости сплава Zn5Al легированного различными концентрациями  магния и бериллия от температуры.

Выявлено, что молярная теплоемкость легированного редкоземельными металлами сплава Zn5Al больше чем у исходного сплава и с повышением температуры растет. До концентрации 0,005 масс.% Mg и до 0.01 масс.% Be теплоемкость легированного сплава увеличивается, и при дальнейшем его увеличении уменьшается.

Рисунок 4. Зависимость удельной теплоемкости сплава Zn5Al, легированных различных концентраций магния

Рисунок 5. Зависимость удельной теплоемкости сплава Zn5Al легированного различными концентрациями бериллия

Сложный характер зависимостей теплоемкости от концентрации легированного металла свидетельствует о совокупном влиянии многих факторов на составляющие теплоемкости.

4. Заключение

Впервые исследована температурная зависимость удельной теплоемкости, термодинамические функции  легированного некоторыми щелочноземельными металлами сплавов Zn5Al и Zn55Al на основе алюминия марки A7. Как для чистых металлов, так и для сплавов повышение температуры приводит к увеличению значений удельной теплоемкости. Температурная зависимость теплоемкости в исследованном интервале температуры выражается уравнением . Показано, что теплоемкость легированных сплавов меньше, чем для исходного сплава и с повышением температуры растет, а с ростом концентрации легированного металла меняется по-разному. Сложный характер зависимостей теплоемкости от концентрации легированного металла свидетельствует о совокупном влиянии ряда факторов на составляющие теплоемкости.

Список литературы:

1. Низомов З., Гулов Б.Н., Саидов Р.Х., Авезов З. Измерение удельной тепло­емкости твердых тел методом охлаждения // Вестник национального университета. -2010. -Вып. 3(59). -С.136-141.
2. Низомов З., Саидов Р.Х., Авезов З., Шарипов Дж.Г. Влияние магния на теплофизические свойства сплавов Zn5Al и Zn55Al. // Доклады Академии наук Республики Таджикистан. Т.60. №9, 2017. -С.424-429.
3. Низомов З., Саидов Р.Х., Шарипов Дж.Г., Гулов Б.Н. Теплофизические свойства сплавов Zn5Al, Zn55Al, легированных редкоземельными металлами. // Доклады Академии наук Республики Таджикистан. - 2015. -Т. 58. - № 10. - С. 916-921.
4. Саидов Р.Х., Низомов З., Шарипов Дж. Г. Исследование процесса охлаждения легированных РЗМ сплавов Zn5Al и Zn55Al. // Вестник Таджикского национального университета. Серия естественных наук. - 2016.-№ 1/1(192). -С. 28-33.