04 декабря 2017г.
Основной целью работы было создание относительно несложной и до ступной методики компьютерного термодинамического расчета диаграмм фазовых равновесий двухкомпонентных систем. Такая методика может быть использована в научных целях, например, при создании новых функциональных материалов, прогнозировании их фазового состава, микроструктуры и свойств, а также в образовательном процессе при подготовке специалистов в области физической химии, теоретического и прикладного материаловедения. В качестве основного критерия валидности методики позиционировалась приемлемая точность совпадения результатов с экспериментально построенными диаграммами состояний.
В качестве объекта исследования была выбрана система Sn-Pb, компоненты которой находят широкое применение в промышленности в качестве припоев или антифрикционных подшипниковых сплавов (баббитов). Кроме того, этот сплав используется в хрестоматийном комплексе лабораторных работ по материаловедению в технических вузах. Он легко доступен и «всегда под рукой», например, для экспериментальных экспресс-проверок результатов термодинамического моделирования. Сплав Sn-Pb удобен для решения поставленной задачи, поскольку имеет простую эвтектическую диаграмму с практически несмешивающимися компонентами.
Для разработки и реализации компьютерной модели диаграммы состояния нами использована база термодинамических данных индивидуальных компонентов, имеющаяся в источниках [9, 10]. В качестве исходных данных взяты значения энтальпии H0 при 0К, температурные зависимости приведенного термодинамического потенциала ФТ для кристаллического Ф TS и жидкого Ф TL состояний элемента.
Программная часть модели реализована в оболочке MathCAD путем последовательного выполнения процедур вычисления:
1) значений термодинамического потенциала или энергии Гиббса G чистых компонентов в условиях постоянного давления по выражениям:
В разработанной методике выражение
для расчета
ED(T) и значение координационной константы Z системы Sn-Pb являются
новыми научными результатами, которые в научной литературе не встречаются.
На рисунке 1 для сравнения показаны расчетная и экспериментальная диаграммы состояния исследуемой системы. По значениям координат эвтектической точки можно судить о соответствии расчетной методики и эксперимента:
для расчетной точки они составляют х=0,301 и Т=456,209 К, для
экспериментальной х=0,38 и Т=456 К. Полученное совпадение представляется вполне удовлетворительным, поэтому разработанная методика компьютерного термодинамического
расчета диаграмм фазовых равновесий двухкомпонентных систем может быть рекомендована для практического использования. Так, например, в работах материаловедческой научной школы ДГТУ (Ро стов-на-Дону) термодинамические подходы равновесной и неравновесной
термодинамики реализованы
при решении
широкого
спектра научных
задач в таких областях, как создание материалов
с
уникальными
свойствами
(структура «белого слоя» в железоуглеродистых сплавах) [6], металлофизика неравновесных фазовых переходов [5, 7], формирование защитных покрытий многофункционального назначения [3, 8], проблемы эрозионной [1, 2] и коррозионной [6] стойкости материалов и покрытий.
Список литературы
1.
Варавка, В.Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 1: Начальная стадия каплеударной эрозии
[Текст] / В.Н. Варавка,
О.В. Кудряков // Трение и износ, 2015, том 36, №1. С.89-99.
2.
Варавка, В.Н. Особенности
разрушения металлических с плавов
в
условиях устойчивой каплеударной эрозии [Текст] / В.Н. Варавка, О.В. Кудряков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические
науки, 2012,
№3.
С.45-50.
3.
Варавка, В.Н. Применение нанокомпозиционных покрытий для защиты энергетического оборудования от каплеударной эрозии [Текст]
/ В.Н. Варавка, О.В. Кудряков, А.В. Рыженков, Г.В. Качалин, О.С. Зилова // Теплоэнергетика,
2014,
№11.
С.29-35.
4.
Диаграммы состояния
двойных металлических систем: Справочник
в
3-х томах.
/ Под ред. Лякишева Н.П. – М: Машиностроение, 1995-2000.
5.
Кудряков, О.В. Дислокационные квазидиполи и их роль в мартенситном превращении стали
[Текст] // Физика металлов и металловедение.
2002. Т.94. №5. С.3-10.
6.
Кудряков, О.В. Структурный критерий коррозионной стойкости "белых слоев"
[Текст] / О.В. Кудряков, В.Н.
Пустовойт // Материаловедение. 1998. №7.С.33-40.
7.
Кудряков, О.В. Феноменология мартенситного превращения и структуры стали [Текст]
/
О.В. Кудряков, В.Н. Варавка - Ростов-на-Дону: Издательский
центр ДГТУ, 2004. – 200 с.
8.
Сапунов, С.Ю. Строение и свойства никель-цинкового
покрытия на стали [Текст]
/ С.Ю. Сапунов, О.В.
Кудряков, Н.И. Фартушный // Сталь, 2003. №11. С.94-96.
9.
Термодинамические
свойства
индивидуальных веществ:
Справочное издание
в
4-х томах.
– М: Наука, 1978-1982.
10. Физические величины: Справочник. /
Под ред.
И. С. Григорьева и
Е.
З. Мейлихова. - М: Энергоатомиздат, 1991. - 1232с.
