Коэффициент теплопроводности железа и твердых растворов в нем кремния

Сведения о теплопроводности железа весьма много численны и касаются широкого диапазона температур.

Исследование теплопроводности железа в области низких температур (>2°К) показало, что она носит в основном электронный характер. В силу этого зависимость X(T) имеет четко выраженный экстремальный характер, причем в образцах разного происхождения теплопроводность достигает максимума Лmах = 240/1560 вт/(м*град) в области температур от 21 до 31° К. Иллюстрацией этого может служить рис. 71, на котром сопоставлены данные ряда авторов.

С дальнейшим повышением температуры теплопроводность а-Fe монотонно убывает до 500—600° С, а затем в районе точки Кюри зависимость Л(T) испытывает аномальное изменение. Это, в частности, видно из данных Рихтера и Кольхааза, изучавших теплопроводность железа между -180 и +1000°C:

По данным разных авторов, эта аномалия, обусловленная магнитным разупорядочением и уменьшением вклада в теплопроводность спиновой составляющей, носит разный характер. В частности, согласно, в районе точки Кюри прекращается убыль теплопроводности железа, становящейся вплоть до точки A3 температурно независимой. Напротив, из данных Рихтера и Кольхааза следует, что при Т=0ф на политерме Л(T) имеет место глубокий минимум. В последнее время он был достаточно четко обнаружен Зиновьевым и Кренцисом, изучавшими модуляционным методом температуропроводность а чистого железа между 940 и 1660° К, не только на зависимости a (T), но и на температурной зависимости теплопроводности (рис. 72). Из этих данных, кроме того, видно, что в точке A3 фазового перехода а—у имеет место небольшое изотермическое уменьшение теплопроводности, выше которой затем Л с ростом температуры почти линейно увеличивается.

На рис. 72, кроме того, приведена политерма электронной теплопроводности Ле, рассчитанная с помощью закона Видемана-Франца-Лоренда (Ле = п2/3(k/е)2oT), по литературным данным об электропроводности железа. Ее сопоставление с температурной зависимостью общей теплопроводности указывает на то, что решеточная теплопроводность (Лреш = Л—Лe) по мере приближения к точке Кюри существенно убывает. Как отмечалось выше, это, очевидно, обусловлено уменьшением составляющей Лs, связанной с упорядоченным переносом спиновых возбуждений и возрастанием роли рассеяния фононов на магнитных неоднородностях.

Теплопроводность a-Fe весьма сильно убывает при растворении в нем кремния. Ряд эмпирических зависимостей Л( % Si), относящихся к комнатной температуре, приводится в монографии Лившица. Более систематический материал, касающийся влияния температуры и концентрации кремния на теплопроводность технически чистых сплавов и сталей, был получен Купровским.

Некоторой иллюстрацией специфических особенностей установленных зависимостей может служить рис. 73, на котором обобщены результаты исследования теплопроводностей электротехнических сталей (содержащих от 1,0 до 4,38% Si) между 20 и 1000°C. Несмотря на поликомплектность изученных материалов, из этих данных отчетливо следует, что с ростом Nsi, с одной стороны, теплопроводность твердых растворов при умеренных температурах существенно понижается, а с другой, — заметно увеличивается ее температурный коэффициент, меняющий даже знак при содержании в сплаве около 2,5% Si. Именно в связи с этим, несмотря на резкие различия значений X для a-твердых растворов разного состава при комнатной температуре, их теплопроводность с повышением температуры быстро сближается и около 900° С становится мало различимой.

В первом приближении можно, по-видимому, считать, что теплопроводность a-твердых растворов линейно убывает с ростом концентрации кремния. К такому же выводу ранее пришли и другие исследователи, изучавшие, однако, зависимости Л(%Si) лишь при комнатной температуре.

Следует заметить, что результаты, близкие к описанным, были получены и при изучении чистых бинарных сплавов. В частности, Глезер и Ивейник нашли, что примерно до 5% SiЛ=Л0—q(%Si).

Более сложные зависимости были установлены в работе Кренциса, Зиновьева и Андреевой, изучавших температуропроводность твердых растворов кремния в железе (0—8,2% Si) между 900 и 1700° К. Авторы показали, что для всех сплавов наблюдается экстремальная зависимость X(T) с минимумом вблизи 1000—1100°K, т. е. в районе точки магнитного разупорядочения. Это подчеркивает сильное не только фонон-электронное, но и фонон-спиновое (при T