Формирование локального структурного порядка в расплаве алюминия перед кристаллизацией

Аннотация

Представлены результаты Фурье-анализа спектров акустической эмиссии (АЭ) в области частот 20–200 кГц, возникающих при понижении температуры расплава алюминия от 860 до 660°С. Обсуждается связь акустических сигналов с процессами структурных преобразований в расплаве c изменением температуры.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Структурные преобразования в температурной области расплава, предшествую щей переходу в упорядоченное состояние недостаточно изучены. Однако, именно в этой температурной области происходят события, результатом которых является возникновение кристаллического порядка [1–9]. В настоящей работе принята концепция, предполагающая существование частичного порядка в расплаве, меняющегося при изменении температура среды. В качестве экспериментального использован метод акустической эмиссии (АЭ), позволяющий регистрировать акустические сигналы, сопровождающие изменение температуры расплава, и на основании этого сделать некоторые выводы о структурных преобразованиях в расплаве.

Цель данной работы – проведение экспериментальных исследований спектров акустической эмиссии при охлаждении расплава алюминия, развитие представлений о существовании частичного порядка в жидком алюминии в температурной области расплава 860–660°С и связи структурных преобразований в среде с возникновением акустических сигналов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальные исследования проведены на установке, схема которой дана в работе [10].

В настоящей работе получены спектры сигналов АЭ при охлаждении расплава алюминия и проведен Фурье-анализ амплитуды и частоты сигналов (АЭ) при снижении температуры расплава от 860℃ до начала кристаллизации.

В работе использовался пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) с частотным диапазоном 20–200 кГц и коэффициентом усиления 92, к = 10⁴.

Расплав нагревался до соответствующей температуры затем она снижалась с шагом 20°С и расплав выдерживался при постоянной температуре в течение 15 мин; за это время записывался спектр (АЭ) и проводился амплитудно-частотный анализ сигналов АЭ. Для анализа акустического спектра использовались программы (ISVI) [11, 12]. Экспериментальные результаты сначала анализировались в аналоговой форме затем проводился Фурье-анализ каждого отдельного сигнала.

По результатам Фурье-анализа на основании аналитических зависимостей (1) и (2) [13] определялся коэффициент C_s по физическому смыслу отвечающий сумме амплитуд сигналов определенной частоты

${С}_s={\frac{1}{T}}_0{\int }_0^{T_0}f\left(\tau \right)e^{-i{\omega }_s\tau }d\tau$ (1)

$w_s=S\cdot w_0=\frac{2\pi S}{T_0}$ (2)

где: Т₀ – период сигнала, τ – время, w_s – эквидистантные значения, рассчитанные для комплексного Фурье коэффициента для точек S = 0,1,2...(N-1).

Все частоты спектра условно подразделялись на две группы: низкочастотные для диапазона 20–60 кГц и высокочастотные для диапазона 90–200 кГц.

Температура расплава алюминия снижалась и по результатам Фурье-анализа спектров строились графики зависимости мах. С_s от f для температур 800°С (рис. 1а) и 690°С (рис. 1б).

Рис. 1. Индекс Фурье. Сs в зависимости от частоты при охлаждении расплава алюминия от 860°С до 800°С (а) и 690°С (б), (С_s = mV).

На основании результатов Фурье-анализа (рис.1) видно, что при перегреве расплава на 200°С выше температуры ликвидуса наблюдалась периодичность мах. С_s с частотой следования 7–8 кГц. При уменьшении температуры расплава амплитуда сигналов (индекс С_s) в спектре низких частот уменьшается и при 690°С достигает уровня фона, а мах. С_s для f = 121 кГц увеличивается и достигает при температуре 690°С наибольшей величины (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости индекса С_s от t для частоты f = 121 кГц.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В настоящем эксперименте охлаждение расплава происходило со стороны тигля. Следовательно, можно предположить, что источником акустической эмиссии является температурный градиент в расплаве на границе со стенкой тигля. При резком уменьшении температуры происходит увеличение плотности расплава у стенки тигля и появляется волна изменения давления в направлении к центру тигля, которая вызывает градиент плотности атомов, генерируя кластеры [13, 14]. Считаем, что периодичность частот мах. С_s отражает периодичность в формировании кластеров, а амплитуды сигналов являются энергетическим откликом продвижения каждого элемента зарождающегося кластера вглубь расплава. Можно представить начало формирования кластера в расплаве в условиях нашего эксперимента в виде ячеистой сетки, в которой каждой ячейке соответствует грань элементарной ячейки алюминия (полного атомного состояния расплава в условиях нашего эксперимента достигнуто не было).

Продвижение элементарной ячейки алюминия вглубь расплава при охлаждении для каждого из элементов сетки отличается из-за разницы в поверхностной энергии; каждая ячейка продвигается на высоту соответствующей для нее числу n параметров решетки, начиная с 1. Продвижение кластера происходит до достижения высвободившимся при охлаждении объемом ΔV на границе кластера с расплавом критической величины поверхностного натяжения Ϭ. При этом поверхность свободного объем нарушается с высвобождением звуковой или ультразвуковой энергии. Далее процесс повторяется, поэтому можно заключить, что процесс кристаллизации периодический. Расчет частоты ƒ в зависимости от скорости продвижения поверхности раздела кластера проводился из соотношения (3), полученного в работе [10]

$f=\frac{V}{a\cdot n}$, (3)

где V = 3.1 мм/мин – величина скорости продвижения фронта кластера (считаем ее соответствующей скорости отвода тепла от стенки тигля, измеренной экспериментально); n = число межплоскостных расстояний a = 4.05·10^–7 мм – параметр кристаллической решетки алюминия.

Сравнение расчетных и экспериментальных результатов f для температуры расплава 800ºС (табл. 1) показало близость значений экспериментальных частот c теоретическими, подсчитанных по формуле (3) при условии параметра решетки алюминия равному a = 4.3·10^-7 мм (на 15% больше известного).

Таблица 1. Теоретические и экспериментальные частоты ƒ АЭ сигналов с макс. Cs для температуры расплава 800º С

n	1	2	3	4	5	6	7
f теорет., кГц	121	60	40	30	24	20	18
f экспер., кГц	127	63	42	32	25	21	Нет данных

На основании результатов таблицы 1 построена модель кластера для температуры расплава при 800ºС (рис. 3а). В таблице 2 приведены расчеты частот f для температуры расплава 690ºС.

Рис. 3. Модели кластера, рассчитанные для расплава алюминия при температурах 800°С (а) и 690°С (б).

Таблица 2. Теоретические и экспериментальные частоты f с макс. С_s для температуры расплава 690ºС

n	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
f теорет., кГц	243	121	81	61	49	41	35	30	27	24	22	20
f экспер., кГц	Нет данных	123	79	59	47	40	32	31	n/a	23	22	n/a

На основание результатов таблицы 2 построена модель кластера для температуры расплава 690ºС (рис. 3б)

В нашем эксперименте (рис. 1) увеличение параметра решетки алюминия при 800°С на 15% больше табличного можно объяснить увеличением межплоскостного расстояния решетки алюминия при перегреве расплава на 200°С выше температуры плавления [15]. Уменьшение величины мах. С_s для низкочастотной части спектра при снижении температуры объясняется снижением температурного градиента в расплаве. При приближении температуры расплава к температуре кристаллизации подвижность атомов снижается и остаются в расплаве только самые мощные, которые, группируясь образуют кластер с доминирующей частотой 121кГц. В интервале частот 80–130 кГц амплитуды мах. С_s при температуре 690°С достигают максимальной величины (рис. 1б). Частота f в рамках используемой модели отвечает частоте единичной ячейке кластера алюминия, принадлежащего решетке алюминия, на ней путем присоединения других атомов выстраивается вся архитектура кластера алюминия (рис. 3б). Все частоты вертикальных элементов кластера (рис. 3б) соответствуют частотам с мах. С_s на (рис. 1б) в интервале частот 80–140 кГц. В итоге происходит формирование зародыша твердой фазы алюминия.

ВЫВОДЫ

1. На основании Фурье-анализа спектров акустической эмиссии сигналов (АЭ) в расплаве алюминия установлен закономерный характер их возникновения в температурной области предшествующих переходу в кристаллическое состояние.
2. Предложена качественная модель формирования локального порядка в температурной области расплава алюминия до начала кристаллизации. На основании этой модели проведено сравнение результатов расчета частот, возникающих при формировании кластеров, с экспериментальными данными и установлено удовлетворительное соответствие между ними.