Межфазного взаимодействия

20. Дерябин А.А., Попелъ С.И., Сабуров С.Н. Неравновесные значения межфазного натяжения и адгезии в системе металл-оксидный расплав // Известия Академии наук СССР. Металлы. -1968. - №5. - с. - 51 - 59.

Анализ формулы (8) показывает, что уменьшение размеров критического зародыша может быть достигнуто не только за счет снижения поверхностного (межфазного) натяжения о и увеличения величины переохлаждения AT, но и за счет повышения внешнего давления dP.

вследствие изменения поверхности на AS при величине межфазного натяжения а; k— переводной коэффициент.

Для двухфазного поля между ликвидусом и солидусом диаграмм состояния характерны свои зависимости краевых углов смачиваемости В твердой фазы жидкой, работы адгезии WA, межфазного натяжения от температуры (и равновесного состава фаз) атж, а твердые компоненты эвтектики могут по-разному смачиваться жидкой маточной фазой.

Представляется интересным провести анализ изменения (одновременно) поверхностного (граница расплав — газ) и межфазного (граница расплав •— твердая фаза) натяжений, сопоставляя ход обеих кривых. На рис. 6,9 изображены кривые о — состав для обеих границ раздела в системах Аи •— Ge и Аи — Si. Однако следует иметь в виду, что зависимость ажг — состав изотермична, тогда как зависимость атж — состав представляет политерму, с ростом концентрации золота, кремния или германия (при движении от чистых компонентов к центральной части оси составов) температура снижается. Следует еще подчеркнуть, что хотя межфазное натяжение рассчитывается с использованием неточно определенных величин (например, межфазного натяжения на границе расплав — кристалл этого же вещества, полученного из результатов Тернбалла по величинам переохлаждения), величина атж входит в расчетное уравнение Юнга как константа, так что рассчитанное изменение ятж — состав соответствует истинному (можно было бы

При этом следует отметить, что, очевидно, несмотря на рост межфазного натяжения имеется тенденция кремния и германия к некоторой адсорбции на границе твердого золота с его расплавом, связанная с тем, что элемент-добавка (германий, кремний), слабее

Таким образом, введение кремния или германия в расплав золота вследствие их адсорбции на границе твердого золота и его расплава (увеличивающейся с падением температуры) вызывает более значительный рост межфазного натяжения, чем в случае добавки золота к кремнию или германию (см. рис. 9).

Метод просвечивания с помощью рентгеновских лучей, предложенный в [3], можно использовать только для наблюдения медленных процессов, протекающих на межфазной границе. Все названные методы фиксируют изменение либо краевого угла, либо площади растекания. Возможное изменение величины межфазного натяжения в процессе смачивания не фиксируется. Одновременное измерение как величины краевого угла, так и межфазного натяжения в ходе смачивания возможно, если помимо отмеченных геометрических характеристик <— площади растекания или краевого угла, непрерывно регистрировать непосредственно силу смачивания.

В работе [1] показано, что наличие градиента химического потенциала в гетерогенной системе приводит к изменению межфазного натяжения в процессе химической реакции или межфазного перехода. Металлы триады железа (Fe, Co, Ni) характеризуются тем, что степень смачиваемости ими графита сильно зависит от концентрации углерода в жидкой фазе. Смачивание графита металлами группы железа, как при равновесии насыщенного углеродом расплава и графита, так и в неравновесных условиях, изучено в [3, 4].

В настоящем исследовании сделана попытка выявить динамический эффект в процессе растворения пирографита в расплавах Fe—С и Ni—С. Экспериментально это должно проявиться в снижении межфазного натяжения на границе графит — расплав.

РАФИНИРОВАНИЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ —удаление неметаллич. и металлич. вредных примесей в период выплавки металла. Неметаллич. примеси (окислы, нитриды и др.) удаляют обработкой флюсами, при этом вследствие разности уд. весов примеси осаждаются на дно ванны при выстаивании расплавл. металла. Обработка флюсом производится при 720°. Флюсы выбирают с таким расчетом, чтобы неметаллич. включения смачивались металлом хуже, чем флюсом, т. е. межфазное натяжение на границе металл—окислы должно быть больше межфазного натяжения на границе флюс — окислы. Межфазное натяжение на границе металл — флюс должно быть понижено до определ. предела, ниже к-рого начинается прилипание флюса к сплаву и загрязнение отливок флюсовыми включениями. Рафинирование можно вести с применением единого флюса, находящегося в плавильной печи и наносимого на поверхность расплавл. металла, напр, флюса ВИ2 состава: 38—46% MgCl2; 32—40% КС1; 5—8% ВаС12; 3—5% CaF,; не более 10% CaClj-t-NaCl; 3%H20. В качестве покровного флюса применяют, напр., флюс состава: 29,5% MgCl2; 26,8% КС1; 2,5% Nad; 7,6% СаС12; 19,4% CaF2; 6,4% MgO; 7,8% Н2О. Освобождение расплавл. металла от взвеси хлоридов и окислов будет тем полнее, чем больше уд. вес флюса, меньше его поверхностная активность к сплаву, выше температура сплава и больше время выстаивания. Расход флюса составляет 1—1,5% к весу расплавленного металла.

Таким образом, из анализа структурной схемы, отражающей производство энтропии внутри трибосистемы и диссипацию ее окружающей средой, следует, что в процессе фрикционного межфазного взаимодействия общая энтропия трибосистемы возрастает (идет энтропийная накачка), постепенно достигая некоторого критического значения, при котором плотность внутренней энергии и энтропии в активных объемах полимерной детали и пленки переноса оказывается достаточной для разрушения межмолекулярных и молекулярных (химических) связей. При установившемся режиме трения и изнашивания разрушение (износ) микрообъемов с поверхности трения сопровождается постоянным переходом в критическое состояние все новых микрообъемов приповерхностных слоев. Состояние трибосистемы при таком процессе ха-

На основании выполненных расчетов установлено, что наложение давления в процессе кристаллизации снижает энергию межфазного взаимодействия (поверхностное натяжение) на границе расплав — кристалл, а следовательно, и размер критического зародыша. Это в свою очередь приводит к увеличению числа центров кристаллизации. Кроме того, приложением давления можно добиться появления смачиваемости между различными фазами, если оно отсутствовало в обычных условиях.

Исследованы различные особенности межфазного взаимодействия: влияние поверхностной энергии, морфология промежуточных слоев, неоднородность карбидообразования, избирательная адсорбция переходных металлов на дефектах и др. Найдены энергии активации процессов. Величина U для карбидов хрома U « 50 ккал/моль, что согласуется с данными [2].

Одним из путей уменьшения взаимодействия является специальное легирование матриц и армирующих средств элементами, понижающими интенсивность межфазного взаимодействия. Однако выбор таких легирующих элементов чисто эмпирическими (опытным) путем является задачей весьма трудоемкой и не всегда оправданной, так как варианты легирования в многокомпонентных системах исчисляются десятками тысяч. В связи с этим создание рас-

где Rz, Ry и Q — составляющие силы межфазного взаимодействия и поток теплоты, подводимой, к частицам, отнесенные к единице •объема капли; ф2 — объемная концентрация жидкой фазы. Плотность дискретной фазы р2 определяется соотношением ра=ф2рк-Если термодинамические параметры пара и жидкости далеки от критической точки, то р!<Срк и в межфазном взаимодействии можно пренебречь силами, обусловленными градиентом давления в газе и эффектом «присоединенных 'масс». Тогда сила R, действующая на единицу объема дискретной фазы, и подводимая к ней конвекцией теплота Q в предположении о сферичности и недефор-.мируемости капель определяются из соотношений [см. формулы (1.11) и (1.13)]

такой задачи не является автомодельным и в общем случае не может быть получено аналитически. Описанных трудностей можно-избежать, используя идеи построения разностных схем с расщеплением по физическим факторам (см., например, [14]). При этом процесс вычисления значений параметров газа в ячейках на следующем временном слое распадается на два этапа. На первом этапе вычисляются значения параметров на границах ячеек в предположении о «замороженности» процессов межфазного взаимодействия. Влияние этих факторов учитывается лишь в основных разностных уравнениях (4.13) на втором этапе. Такой подход позволяет использовать для вычисления параметров паровой фазы: на границах ячеек формулы распада разрыва в том! виде, как они записаны в ![33]. Величины, определяющие фазовые переходы, такие, как влажность, скорость ядрообразования и др., на границу переносятся из одной из примыкающих к ней ячеек в зависимости от направления движения контактного разрыва.

(Параметры капель на границах ячеек также определялись из решения задачи о нестационарном одномерном течении «газа частиц» с кусочно-постоянным начальным распределением в предположении об отсутствии межфазного взаимодействия. В силу принятых допущений «газ частиц» не обладает собственным давлением, поэтому все возмущения переносятся в такой среде со скоростью частиц (семейство характеристик вырождено), а разрыв в начальном распределении скоростей приводит к возникновению либо зоны «вакуума», либо зоны взаимопроникающего движения двух потоков частиц. Если нормальные к границе ячейки составляющие скорости капель направлены в одну сторону (cniCn2>0), то на границу приходя^ характеристики только из одной ячейки и значения параметров принимаются равными значениями в той ячейке, из которой «газ частиц» вытекает. Если нормальные составляющие скорости имеют разные знаки (cnicn2<0), то граница ячейки попадает в область, где характеристики отсутствуют («вакуум») или пересекаются (зона взаимопроникающего движения). В этих случаях решение в обычном смысле найдено быть не может и возникает необходимость дополнить решение. В расчетах были опробованы несколько вариантов аппроксимации параметров частиц на границах ячеек при условии сп1с„2^0. В окончательном варианте схемы скорость капель определялась с помощью линейной интерполяции, а значения плотности р2 и энергии ez сносились из той ячейки, из которой «газ частиц» вытекает. Такой способ определения параметров капель на границах ячеек обеспечивает устойчивость вычислительного процесса и гладкость профилей параметров капель.

Резюмируя, можно заключить, что даже при использовании простейшей физической модели двухфазного закрученного потока, в которой внутренние силы трения в каждой фазе не учитываются, могут быть оценены некоторые эффекты межфазного взаимодействия, важные для оптимизации турбинных ступеней значительной веерности, а также центробежных сепараторов. Подтверждено, что распределение термодинамических параметров, скоростей и углов потока несущей фазы по радиусу и вдоль кольцевого канала зависит от влажности и дисперсности, т. е. от наличия жидкой фазы, степени неравновесности процесса, а также геометрических параметров канала. Такие зависимости должны учитываться в расчетах и при профилировании лопаточных аппаратов турбинной ступени. Закон закрутки лопаток ступеней 'большой веерности следует выбирать с учетом установленного влияния дискретной фазы.

Истечение струи с поверхностью разрыва может происходить при различных условиях. Струя может вытекать из длинных цилиндрических каналов с характеристиками, присущими турбулентно текущей в трубе жидкости, истечение может происходить из невозмущенного объема через отверстия в тонких стенках. В зависимости от условий истечения развитие турбулентности по длине струи может быть различным. Это изменение может быть различным и в зависимости от особенностей межфазного взаимодействия.

Остановимся более подробно на вопросах межфазного взаимодействия.

Рис. 2.14. Изменение поверхности межфазного взаимодействия А-4„/дК по длине трубы Венту ри [2.60] при vii = 80 м/с