Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Коноплин Николай Александрович

Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа
<
Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Коноплин Николай Александрович. Термический, барический и концентрационный полиморфизм железа : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 Москва, 2006 160 с. РГБ ОД, 61:07-1/111

Содержание к диссертации

Введение 4

Глава 1.0 влиянии температуры, давления и примесей на

полиморфные переходы в железе 11

7.7. Открытие полиморфизма железа и его основные особенности 11

  1. Термический полиморфизм железа 14

  2. Влияние давления на полиморфные переходы в железе 50

  3. Влияние примесей на полиморфные переходы в железе 62

  4. Принцип эквивалентности влияния внешних воздействий на полиморфные переходы в железе 72

Глава 2. Термический полиморфизм железа 75

2.1. Определение немагнитных составляющих теплоемкости и
термодинамических функций полиморфных модификаций

железа 75

  1. Определение магнитной составляющей теплоемкости и термодинамических функций а модификации железа 82

  2. Влияние составляющих термодинамических функций на полиморфные переходы в железе 86

  3. Разность свободных энергий полиморфных модификаций 86

2.5. Анализ полученных результатов 91

Глава 3. Барический полиморфизм железа 112

  1. Физическая модель для анализа влияния внешних воздействий на полиморфизм железа и ее применение к рассмотрению влияния давления на а-у и y-S переходы 112

  2. Методика расчета линий полиморфных а-уи y-S переходов

в железе по разности свободных энергий модификаций 115

3.3. Методика расчета линий полиморфных а-у и y-S переходов

в железе из теории Дебая 118

3.4. Расчет по уравнению Клаузиуса-Клапейрона 123

3.5. Анализ полученных результатов 124

Глава 4. Концентрационный полиморфизм железа 131

4.1. Применение физической модели для анализа влияния
внешних воздействий к рассмотрению влияния легирующих

элементов на а-уи у-8 переходы в железе 131

4.2. Определение границ а и у фаз и гетерогенной области а+ув
бинарных системах железа с элементами,

ограничивающими у- область 135

4.3. Определение границ а и у фаз и гетерогенной области а+ у
в бинарных системах железа с элементами, расширяющими

у- область 138

4.4. Анализ полученных результатов 140

Заключение 148

Библиографичекий список 152

Введение к работе

Железо - переходный элемент, принадлежащий к УШ группе периодической системы с незаполненной 3d электронной орбиталью, наличие которой обусловливает его магнитные свойства [1].

При нормальном постоянном давлении железо обладает тремя полиморфными модификациями. Устойчивыми в низкотемпературной и высокотемпературной области являются модификации a-Fe (0-1184 К) и 5-Fe (1665-1809 К (температура плавления)), обладающие одинаковым типом кристаллической решетки (ОЦК). При температуре 1043 К в а-железе наблюдается переход из ферромагнитного состояния в парамагнитное. В области температур 1184-1665 К устойчивой является ^-фаза с решеткой гранецентрированного куба (ГЦК). Выше температуры Кюри все модификации парамагнитны [2].

К настоящему времени проблема природы полиморфизма железа, несмотря на ее актуальность, является недостаточно выясненной.

Особенности полиморфизма железа, к которым относится факт существования двух структурно-изоморфных фаз при нормальном давлении, связаны с магнитными свойствами а-модификации [3].

При экспериментальном определении магнитной составляющей термодинамических функций модификаций элементов, и в частности сс-железа, используется методика, согласно которой указанная величина определяется разностью экспериментального (полного) значения термодинамической функции и ее немагнитной составляющей [4, 5]. Одной из компонент последней является величина Ср.у, обусловленная объемными изменениями и определяемая соотношением Грюнайзена Часто принимается, что величина параметра Грюнайзена является независимой от температуры [4, 5]. Применение данного предположения частично обусловлено отсутствием значений определяющих параметр величин

5 сжимаемости %, объемного коэффициента теплового расширения ау и мольного объема V для каждой полиморфной модификации в широкой области температур. Для более точных расчетов требуется учет температурного изменения данных параметров.

Сложности проведения эксперимента, связанные с высокотемпературной областью существования [6], не позволяют определить значения модуля сжимаемости % для у и 5 фаз железа. К настоящему времени в литературе имеются аналитические данные по температурной зависимости сжимаемости y-Fe [7] и уточненные экспериментальные значения для низкотемпературной а-модификации [6], позволяющие более точно рассчитать значения составляющей термодинамических функций полиморфных модификаций железа, обусловленной объемными изменениями. В связи с этим возникает необходимость определения температурной зависимости молярного объема и объемного коэффициента теплового расширения полиморфных модификаций.

Теоретические основы описания магнитных взаимодействий в веществе базируются на феноменологической теории молекулярного поля Вейсса, основанной на представлениях о модели свободного газа электронных спинов [8]. Однако указанная теория позволяет рассчитывать значения магнитных параметров и составляющих термодинамических функций железа, только на иллюстративно-качественном уровне соответствующие действительным зависимостям. Приближение, основанное на рассмотрении постоянной связи и учете ближнего порядка спинов [9], незначительно улучшает количественное и качественное объяснение изменения значений вышеуказанных величин. В работе [10] предложен новый подход к теоретическому определению составляющей термодинамических функций, обусловленной магнитными свойствами вещества. Метод позволяет определить избыточную составляющую термодинамических функций модификаций, образующих структурно-

изоморфный переход (для железа это магнитная составляющая) на основе определения энергии идеального газа фононов в приближении Планка. Применение указанного подхода к определению магнитных составляющих функций ферромагнитной а-модификации железа представляет значительный научный и практический интерес.

Заметным пробелом в понимании природы полиморфизма железа и других элементов является отсутствие строгой теоретической модели процесса влияния и возможности проведения количественной оценки воздействия давления р и легирующих элементов на границы существования фаз, наличие которой позволит рассчитывать фазовые диаграммы элементов, используемые в материаловедении при получении новых материалов. Применение общепризнанных термодинамических способов расчета по уравнению Клаузиуса-Клапейрона для давления и в приближении теории регулярных растворов для примесей затруднено отсутствием или сложностью определения исходных данных. Приведенные в литературе методики носят частный характер и применяются к расчету только определенного перехода [11] или требуют знания большого числа экспериментальных точек на рассчитываемой линии диаграммы состояния [12]. В работе [13] предложен подход к изучению влияния давления на стабильность фаз, основанный на проецировании изменения термодинамических функций при наличии р для идеального газа на конденсированное состояние вещества. Однако его использование затруднено необходимостью определения некоторых исходных параметров, имеющих абстрактный характер.

Влияние давления и примесей на полиморфные переходы в железе обусловлено воздействием на электронную плотность, энергию межатомного взаимодействия и, как следствие, величину термодинамических потенциалов, определяющих условия стабильности модификаций. Следовательно, актуальным является разработка единого подхода к объяснению и

7 количественному определению равновесных границ структурных

модификаций на фазовых диаграммах состояния "температура-давление" и

"температура-состав". ( В основу разработанного нами подхода,

предусматривающего анализ влияния давления или примеси на разность

свободных энергии Гиббса участвующих в переходе модификаций,

положены предпосылки, впервые использованные в работе [14].

В соответствии с видом воздействия (температура, давление или

концентрация легирующего элемента) в настоящем исследовании выделяется

термический, барический и концентрационный полиморфизм железа.

Цель работы. Целью настоящей работы является изучение особенностей полиморфизма

железа на основе анализа влияния температуры, давления и легирующих

элементов на свободные энергии его структурных модификаций.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

  1. Получение точных значений свободных энергий полиморфных модификаций железа в области температур от О К до температуры плавления на основе качественного анализа литературных данных.

  2. Расчет теплоемкости, энтальпии и энтропии а, у и 8 модификаций железа на основе точной оценки различных составляющих.

  3. Определение магнитной составляющей термодинамических функций а-модификации различными методами и их сравнительный анализ.

  4. Разработка общей физической модели для анализа особенностей полиморфных превращений в железе под влиянием давления и легирующих элементов.

  5. Разработка методик расчета линий фазовых а-у и у-8 превращений в железе при наличии давления и границ областей твердых растворов элементов в двойных системах с железом на основе а, у и 5 модификации.

8 Научная новизна полученных результатов:

  1. Магнитная составляющая термодинамических функций a-Fe рассчитана по методу, основанному на определении избыточной составляющей функций модифжапий, образующих структурно-изоморфный переход [10].

  2. Впервые разработана общая физическая модель для анализа особенностей полиморфных превращений в железе под влиянием давления и легирующих элементов.

  3. Впервые разработана методика определения линий равновесных полиморфных переходов в железе на фазовой р-Т диаграмме по значениям разности свободных энергий структурных модификаций, определенным для нормального давления.

  4. Впервые разработана методика определения линий равновесных полиморфных переходов в железе на фазовой р-Т диаграмме по барическим зависимостям характеристических температур Дебая структурных модификаций.

  1. Впервые разработана методика определения границ областей твердых растворов элементов на основе а, у и 5 модификаций железа на фазовых диаграммах бинарных систем по значениям разности свободных энергий модификаций, определенным для нормального давления в чистом железе.

Результаты работы имеют практическую и научную значимость:

  1. Уточненные значения термодинамических функций и их составляющих могут быть использованы для различных расчетов, войдут в справочную литературу.

  2. Сопоставление магнитной составляющей термодинамических функций a-Fe, рассчитанной по методу, основанному на анализе особенностей структурно-изоморфного перехода [10], и значений, полученных другими методами, подтверждают целесообразность его использования при расчетах указанной составляющей.

3) Разработанная физическая модель для анализа особенностей

полиморфных превращений в железе под влиянием давления и легирующих элементов может быть использована для рассмотрения влияния других видов воздействий при установлении количественной зависимости величины изменения разности свободных энергий и параметра, характеризующего степень воздействия.

  1. Разработанные методики расчета линий фазовых переходов в железе при наличии давления или примеси позволят анализировать данные экспериментальных исследований в этой области.

  2. Полученные результаты могут быть использованы как для решения материаловедческих задач (условий направленного синтеза, термодинамической устойчивости), так и для совершенствования технологии получения и зксшіуатации различных материалов.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Рассчитанные температурные зависимости теплоемкости, термодинамических функций и их составляющих для а, у и - железа.

  2. Разработанная физическая модель для анализа особенностей полиморфных превращений в железе под влиянием давления и легирующих элементов.

  3. Методика расчета линий фазовых переходов полиморфных модификаций железа на р-Т диаграмме по значениям разности свободных энергий модификаций, определенным для нормального давления.

  4. Методика расчета линий фазовых переходов полиморфных модификаций железа на р-Т диаграмме состояния по барическим зависимостям характеристических температур полиморфных модификаций.

  5. Методика расчета равновесных границ полиморфных модификаций и гетерогенной области на диаграммах состояния бинарных систем на основе железа по значениям разности свободных энергий участвующих в переходе модификаций, определенным для нормального давления в чистом железе.

10 Лично соискателем:

  1. Получены температурные зависимости сжимаемости, коэффициента теплового расширения а и у железа, мольного объема а, у и 8 -модификаций в области их метастабильного существования для температурного интервала 0-1809 К (плавление).

  2. Рассчитаны и проанализированы различные составляющие теплоемкости и термодинамических функций а, у и 8 - модификаций железа в интервале температур 0-1809 К.

  3. Проведены расчеты магнитной составляющей термодинамических функций a-Fe различными методами, включая метод, основанный на определении избыточной составляющей функций модификаций, участвующих в структурно-изоморфном переходе [10]. Выполнено сопоставление полученных данных и результатов теоретических расчетов в приближении теории молекулярного поля.

  4. Разработана методика расчета и рассчитаны линии полиморфных а-у и у-5 переходов на р-Т диаграмме железа по значениям разности свободных энергий модификаций, определенных для нормального давления.

  5. Рассчитаны барические зависимости температур Дебая а, у и 8 модификаций, по которым, с использованием разработанной методики, определены линии а-у и у-8 переходов на р-Т диаграмме железа.

  6. Разработана методика расчета границ равновесных твердых растворов легирующих элементов на основе а, у и 8-Fe и гетерогенной области для ряда бинарных систем на основе железа, по значениям разности свободных энергий модификаций, определенных для нормального давления в чистом железе. Выполнен расчет границ и проведен анализ полученных результатов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 130 наименований. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков и 21 таблицу.