Reduction of chromites in methane-hydrogen mixtures-chromium sesquioxide

Abstract

Chromium sesquioxide can be reduced to chromium metal or carbide by mixtures of hydrogen and methane. The mechanisms and conditions for these reactions have been determined using simulation of the effects of methane cracking by controlled addition of carbon. The work forms a basis for the investigation of reduction of chromite ores by coke-oven or natural gas. This reaction is of economic interest because the oxygen tends to be removed as carbon monoxide, thus retaining the reducing potential of the effluent gases. Kinetic data were collected from temperature programmed experiments to which a model, based upon the shrinking-core concept for gas-solid reactions, was found to be applicable. The solid-solid carbon-chromium oxide reduction is the sum of three chemical reactions and is catalyzed by hydrogen, although carbon monoxide diminishes the effect of this catalysis below 1200°C.

Résumé

Le sesquioxide de chrome peut être réduit à l'état de métal chrome ou de carbure de chrome par les mélanges hydrogène-méthane. Les mécanismes et les conditions de ses réactions ont éte déterminés en utilisant la simulation des effets de «cracking» du méthane par des additions contrôlées de carbone. Ce travail est primordial pour l'étude de la réduction des minerais de chromite pour les gaz des fours à coke ou le gaz naturel. Cette réaction a un intérèt économique parce que l'oxygène tend à être éliminé sous forme monoxyde de carbone, qui conserve le potentiel réducteur des gaz qui s'echappent. Les données cinetiques ont été collectées à partir des expériences avec programmation de la température pour lesquelles un modèle fonde sur l'hypothèse d'une réduction à symétrie sphérique pour les réactions solide-gaz s'est révélé applicable. La réaction solide-solide de réduction de l'oxyde de chrome par le carbone est la somme de trois réactions chimiques et est catalysée par l'hydrogène bien que l'oxyde de carbone diminue son effet catalytique pour des températures inferieures à 1200°C.     

A study of ancient slags from Oman

Abstract

Microscopic, chemical and X-ray techniques were used to examine slags from an extensive ancient mining site in the Persian Gulf area. The experimental results indicated that the samples were pieces of tapped slag and furnace slag from a production of copper matte. Such copper mattes could have been smelted in furnaces similar to those used during the Roman period in Timna, Israel.

Résumé

Les auteurs ont utilisé des techniques microscopiques, chimiques et de rayon-X pour examiner les laitiers provenant d'un ancien site minier de grande envergure de la région du Golfe Persique. Les résultats expérimentaux ont révélé que les échantillons étaient des morceaux de laitier de perçage et de laitier de fourneau venant de la production d'une matte de cuivre. Le smeltage de telles mattes de cuivre aurait pu se faire dans des fourneaux semblables à ceux utilises dans la période romaine à Timna en Israel.     

Thermodynamics of Nitrogen Dissolution in Liquid Iron-Silicon Alloys

Abstract

There exists in the literature a wide variation in Henrian interaction parameters to describe the effect of silicon on the activity coefficient of nitrogen in steel. In view of the increasing interest in electrical steels with higher silicon concentrations, and the importance of nitrogen in such steels, the thermodynamic aspects of iron-silicon-nitrogen solutions have been re-examined. Pure iron and iron-silicon alloys containing up to 11wt.% silicon have been equilibrated with gas atmospheres of controlled nitrogen potential at temperatures between 1550 and 1650°C. Experiments were made in alumina crucibles contained within an induction furnace and the nitrogen content of metal samples determined by inert gas fusion analysis. Sievert's Law behaviour was confirmed for the pure iron melts, while silicon-nitrogen interactions in the alloy melts could be characterized in terms of the first order parameter e _N^Si = + 0.057.

Résumé

Il existe dans la littérature de grands écarts entre les valeurs trouvées pour le coefficient d'interaction Silicium-Azote dans l'acier. Par suite de l'intérêt croissant pour les aciers à usage électrique à fortes concentrations en silicium et de l'importance de l'Azote dans de tels aciers les aspects thermodynamiques des solutions Fe-Si-N ont été reexamines. Du fer pur et des alliages Fe-Si contenant jusqu'à 11 pds % de Si ont été mis en équilibre avec une atmosphere gazeuse à potentiel d' Azote contrôlé à des températures comprises entre 1550 et 1650°C. Les experiences ont été conduites en creusets d'alumine dans un four a induction et la teneur en Azote des échantillons de métal a été déterminée par fusion sous gaz inerte. La loi de Sievert a été retrouvée pour les solutions dans le fer pur liquide et les interactions Si-N dans les alliages liquides ont pu être caractérisées par un coefficient d'interaction e _N^Si = + 0.057.     

Influence du carbone et de l'azote sur la diffusion intergranulaire et sur les transformations de phase des alliages Fe-Cr

Abstract

A study using radioactive tracers carried out on chromium-iron alloys (0–15% Cr) of variable carbon and nitrogen contents shows that these impurities have a significant influence on the variation of the volume diffusion coefficients, D_v, as a function of the chromium content and especially on the grain boundary diffusion coefficients. The structure that results from the α  α + γ transformation and the form of the γ-loop of the equilibrium Fe-Cr diagram are strongly related to the carbon and nitrogen contents.

By a method employing the doping of carbon 14 and high resolution autoradicr graphs, the segregation of carbon in the grain boundaries and in the martensite interfaces was revealed, permitting a partial explanation of the role of this element in the diffusional phenomena and in the phase transformations.

Résumé

L'étude par radiotraceurs (Cr. et Fe.) d'alliages fer-chome (0 à 15% de chrome) de teneurs en carbone et azote variables montre que ces impuretés ont une influence notable sur les courbes de variation des coefficients de diffusion en volume D_v en fonction de la teneur en chrome et surtout sur les coefficients de diffusion intergranulaire. Les structures obtenues lors des transformations α  (α + γ) et l'allure de la boucle γ du diagramme d'équilibre Fe-Cr sont en relation étroite avec la teneur en carbone et en azote. Par une technique de chargement en carbone 14 associée à des autoradiographies à haut pouvoir de résolution nous avons pu mettre en évidence la localisation du carbone dans les joints de grains et dans les interfaces de structure martensitique et expliquer en partie le rôle de cette impureté sur les phénomènes diffusionnels et sur les transformations de phase.     

Electrochemical Transport in Molten Lead Silicates

Abstract

Ionic transport in the molten system PbO-SiO₂ is discussed based upon available data on lead and silicon tracer diffusivities, inter diffusion coefficients, electrical conductivity and on measured values of lead and silicon transference numbers. The interrelationship of these parameters is illustrated through a theoretical treatment of the phenomenological transport equations. The Onsager transport coefficients for the independent set of equations are calculated for melt compositions between 0.3 < x _SiO2 < 0.6 at 850°C. The coincidence of large changes in the transport parameters between the orthosilicate and metasilicate compositions and the large changes in the silicate structure is discussed.

Résumé

Les phénomènes de transport ionique dans le systeme PbO-SiO₂ à l'état fondu sont analysés et discutés a partir des valeurs déjà publiées concernant la diffusion des isotopes traceurs de Pb et Si, les coefficients d'interdiffusion de PbO et SiO₂, les conductivityés ioniques et les mesures des nombres de transport pour ces éléments. Un traitement théorique des équations phénoménologiques de transport illustre les différentes relations entre ces paramètres. Les coefficients de transport d'Onsager sont calculés, à l'aide d'un système indépendant d'équations, pour les compositions comprises entre 30 et 60 % de SiO₂ en mole, a 850°C. La possibilité de coincidence des fortes variations des propriétés de transport avec les changements de structure ionique des bains silicates est discutée, pour des compositions correspondant à des structures d'ortho- ou de méta-silicates.     

Dissolution of Nitrogen in Liquid Ni–Cr Superalloys

Abstract

The dissolution of nitrogen in liquid Ni–Cr alloys at 1773 and 1873 K over a wide range of composition has been determined by the constant pressure Sieverts' method. The nitrogen dissolution in these alloys is markedly increased with chromium content and decreased with temperature. The chromium effect on the nitrogen dissolution is described in terms of the Wagner's first and second order interaction parameters for both temperatures. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

En utilisant la méthode experimentale de Sieverts à pression constante, la dissolution de l'azote dans des alliages liquides Ni–Cr a été determinée pour un large domaine de composition aux températures de 1773 et 1873 K. La dissolution de l'azote augmente fortement avec la teneur en chrome et diminue avec la température. L'effet du chrome sur la dissolution a été decrit en termes de parametres d'interaction suivant le formalisme de Wagner. Ainsi, les coefficients du premier et du deuxième ordre entre l'azote et le chrome dans le nique1liquide ont été determiné pour le deux températures. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Mathematical Model of Bubble Formation at the Tuyeres of a Copper Converter

Abstract

Based on earlier observations that gas discharges from the tuyeres of a non-ferrous converter as discrete bubbles, a mathematical model has been developed to describe the dynamics of bubble formation in copper converting. The bubbles have been assumed to be spherical in shape and to grow at the tuyere tip under conditions of constant flow. The model incorporates the effects of heat transfer to the bubble, chemical reaction between the bubble and the bath and co flowing bath circulation. The model has been used to predict the concentrations of O₂ and SO₂, temperature, volume and rise velocity for the bubble as a function of time, while imposition of a detachment condition has permitted the prediction of the bubble frequency. Thus it has been shown that the oxidation reactions have little effect on the bubble formation while convective heat transfer and bath circulation have a large influence. Bath velocity acts to increase the bubble frequency while heat transfer has the opposite effect. Depending on the value of the heat-transfer coefficient employed, the model predicts the velocity of bath circulation in the vicinity of the tuyere to be between 120 and 260 cm/s. For a given bath velocity, the bubble frequency decreases with increasing air input rate. The implications of these predictions for copper converting are discussed, and it is suggested that present converter operation may be “bubble-volume“ limited.

Résumé

En se fondant sur les observations anterieures que le gaz qui s' échappe des tuyères d'un convertisseur de métaux non-ferreux est sous forme de bulles séparées, nous avons développé un modèle mathématique pour décrire la dynamique de formation des bulles dans le convertissage du cuivre. Nous avons supposé que les bulles ont une forme sphérique et qu'elles croissent à l'extrémité de la tuyère dans des conditions d' écoulement constant. Le modèle incorpore les effets du transfert de chaleur à la bulle, de la réaction chimique entre la bulle et le bain, et la circulation du bain. Le modèle a été utilisé pour prédire les concentrations de O₂ et SO₂, la température, le volume et la vitesse de montee des bulles en fonction du temps, alors que l'introduction d'une condition de séparation a permis de prédire la fréquence des bulles. Ainsi nous avons montré que les réactions d'oxydation ont peu d'effet sur la formation des bulles alors que le transfert de chaleur par convection et la circulation du bain ont une grande influence. La vitesse du bain accroît la fréquence des bulles alors que le transfert de chaleur a l'effet opposé. Dépendant de la valeur du coefficient de transfert de chaleur employé le modèle predit que la vitesse de circulation du bain dans le voisinage de la tuyère est comprise entre 120 et 260 cm/s. Pour une vitesse donnée du bain, la fréquence des bulles décroît lorsque l'on augmente le taux d'arrivée d'air. Les implications de ces predictions pour le convertissage du cuivre sont discutées et nous suggérons que l'opération actuelle des convertisseurs pourrait être limitée par le volume des bulles.     

THERMODYNAMICS OF COPPER AND LEAD IN ALUMINA SATURATED FLASH SMELTING SLAG

Abstract

The distribution of copper and lead between copper rich alloy and alumina saturated flash smelting slag produced from Polish copper concentrates was investigated at 1673 and 1553 K under controlled oxygen partial pressures in the range from 8.6·10^?13 to 3.1·10^?7 atm in order to obtain fundamental information related to single stage flash smelting of Polish copper concentrates and decopperizing of the flash smelting slags. The slope of the linear relationship between the logarithmic distribution ratio and oxygen partial pressure shows that the predominant species dissolved in the slag are CuO_0.5 and Cu for copper and PbO and Pb for lead. Activity coefficients for all these copper and lead species in the slag were determined and compared with those in synthetic SiO₂-CaO-Al₂O₃-FeOx and SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-FeO_x slags containing up to 7.5 mass% iron. Existence of a miscibility gap in the flash smelting slag was confirmed at the oxygen partial pressures used in the experiments. The results were used to explain the thermodynamic reasons behind potential problems in the decopperizing of the flash smelting slag.

On a investigué la distribution du cuivre et du plomb entre un alliage riche en cuivre et la scorie de la fusion éclair saturée en oxyde d’aluminium, produite à partir de concentrés de cuivre polonais, à 1673 et 1553 K, sous des pressions partielles contrôlées d’oxygène dans la gamme de 8.6·10^?13 à 3.1·10^?7 atm. L’objectif était d’obtenir l’information fondamentale reliée à la fusion éclair à étape unique des concentrés de cuivre polonais et au décuivrage des scories de la fusion éclair. La pente de la relation linéaire entre le ratio de distribution logarithmique et la pression partielle de l’oxygène montre que les espèces prédominantes dissoutes dans la scorie sont le CuO_0.5 et le Cu pour le cuivre et le PbO et le Pb pour le plomb. On a déterminé les coefficients d’activité de toutes ces espèces de cuivre et de plomb dans la scorie et on les a comparés avec ceux de scories synthétiques SiO₂-CaO-Al₂O₃-FeO_x et SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-FeO_x contenant jusqu’à 7.5% en masse de fer. On a confirmé l’existence d’une interruption de miscibilité dans la scorie de la fusion éclair aux pressions partielles d’oxygène utilisées dans les expériences. On a utilisé les résultats pour expliquer les raisons thermodynamiques derrière les problèmes potentiels de décuivrage de la scorie de la fusion éclair.     

The isothermic annealing of bainite

Abstract

Bainitic high carbon steel has been isothermally annealed in the temperature range, 823–973K, in order to follow changes in structure and mechanical properties. The kinetic data for carbide coarsening were found to be in substantial agreement with the Ostwald ripening theory at the higher annealing temperatures. The observed divergence from the theory at the lower temperatures is attributed to the influence of grain boundary diffusion.

The dependence of mechanical properties on structure has been examined in relation to several important models. Good data correlation was found in all cases but agreement with predicted values of slope and intercept constants was found only for the models based on the Orowan theory of hardening.

The responses to annealing of upper and lower bainite are substantially different and result in measurable differences in mechanical properties of the two structures after heat treatment.

Résumé

Les auteurs ont fait des recuits isothermes dans la gamme de température de 823 à 973°K sur un acier bainitique à haute teneur de carbone afin de suivre les changements de structure et de propriétés mécaniques. Aux températures plus élévees, les résultats sur la cinétique de grossissement des carbures sont en accord substantiel avec la théorie d'Ostwald. Aux températures plus basses, la divergence des résultats avec la théorie est attribuée à l'inf1uence de la diffusion intergranulaire.

Les auteurs ont examiné l'influence de la structure sur les propriétés mécaniques en fonction de plusieurs modéles importants. La corrélation des résu1tats est en bon accord dans tous les cas, mais seulement les modéles basés sur la théorie de durcissement d'Orowan prédisent des pentes et des ordonnées á l'origine qui sont en accord avec les résultats.

Les réponses au revenu des bainites supérieure et inférieure sont substantiellement différentes, ce qui se traduit par des différences mesurables dans les propriétés mecaniques des deux structures aprés traitement thermique.     

Determination of oxygen activities in iron-vanadium alloys by a levitation melting procedure

Abstract

The effect of vanadium on the activity of oxygen in liquid iron has been determined by a new method based on levitation melting. With water-vapour/hydrogen mixtures to control the oxygen potential of the gas phase, thermal diffusion effects caused uncertainty in the actual gas composition at the droplet interface. For this reason the data have not been used to determine equilibrium constants directly although it has been shown that they can be evaluated by conducting experiments with the addition of an inert gas to change the mean molecular weight of the gas mixture. By expressing the data in terms of an apparent equilibrium ratio vanadium-oxygen interaction parameters have been calculated for temperatures between 1550° and 1750°C. The results agree well with data obtained from crucible experiments where thermal diffusion effects were eliminated by bubbling the gas through the melt.

Résumé

L'effet de vanadium sur l'activite de l'oxygéne dans le fer liquide a été déterminé en utilisant une nouvelle méthode fondée sur la lévitation électromagnetique du spécimen en fusion. Le potentiel d'oxygène de la phase gazeuse a été contrôlé au moyen de mélanges de vapeur d'eau et d'hydrogene. Les auteurs n'ont pas déterminé les constantes d'équilibre vu l'existence du phénomène de diffusion thermique qui introduisait une incertitude quant à la composition du mélange gazeux à l'interface du spécimen. Ces constants pourraient être déterminées au moyen de manipulations qui consisteraient à faire varier le poids moléculaire moyen du mélange gazeux par addition d'un gaz inerte. Les paramètres d'interaction entre le vanadium et l'oxygène ont été calculés pour des températures variant de 1550°C a 1750°C en exprimant les données en fonction d'une constante apparente d'équilibre. Les résultats sont en bon accord avec les résultats obtenus à partir de manipulations utilisant des creusets où la diffusion thermique avait été éliminée en faisant passer le mélange gazeux à travers le bain.     

The kinetics of dissolution of enargite in acidified ferric sulphate solutions

Abstract

Over the temperature range 60° to 95°C, sintered discs of synthetic enargite (Cu₃AsS₄) were dissolved slowly in acidified ferric sulphate solutions, yielding both elemental and sulphate sulphur, together with soluble copper and arsenic. The dissolution kinetics were linear and this was interpreted as indicating rate control by a reaction occurring on the surface of this sulphosalt. The activation energy associated with this reaction was 13.3 kcal/mole. The rate of copper extraction increased according to the 0.55 power of the ferric sulphate concentration and the 0.20 power of the sulphuric acid concentration. The rate decreased in a complex manner with increasing strengths of the ferrous sulphate reaction product. Natural enargite dissolves like the synthetic sulphosalt and at approximately the same rate.

Résumé

A des températures variant entre 60°C et 95°C, des disques frittés d'énargite synthétique (Cu₃AsS₄) ont été dissous lentement dans des solutions acides de sulfate ferrique, pour produire du soufre élémentaire et sous forme de sulfate, ainsi que du cuivre et de l'arsenic soluble. Les cinétiques de dissolution suivent une loi linéaire, due à la réaction qui a lieu en surface de ce sulfosel et qui, semble-t-il, contrôlerait la dissolution. L'énergie d'activation associée à la réaction est de 13.3 kcal/mole. Le taux d'extraction du cuivre croît comme la puissance 0.55 de la concentration en sulfate ferrique et la puissance 0.20 de la concentration en acide sulfurique. La vitesse décroît de façon complexe lorsque augmente la concentration du produit de la réaction du sulfate ferreux. L'énargite naturelle se dissout de la même manière que le sulfosel synthétique, et à sensiblement la même vitesse.     

Creep forging of an aluminum bronze

Abstract

Compression tests on a commercial three-phase aluminum bronze showed significant softening above the β transformation. This was not observed in either beryllium-copper or α/β brass above their transformation temperatures. Isothermal compression tests on the aluminum bronze showed some rate sensitivity and there was no significant change in either mechanical properties or microstructure after large strains at the elevated temperature. These characteristics are typical of superplastic alloys.

Closed-die forging experiments in which a thin tapered lip was backward extruded on a cylindrical billet have shown that the material forges adequately at low pressures at temperatures above the transformation. It was concluded that creep forging of this aluminum bronze gives good die filling and surface finish.

Résumé

On a observé un adoucissement significatif d'un bronze à l'aluminium commercial (contenant trois phases) lorsque déformé en compression au-dessus de la transformation β. Le phénomène n'a pas été observe dans le cuivre au beryllium et le laiton α+β déformés au-dessus de leur temperature de transformation. Des essais de compression isotherme sur le bronze à l'aluminium ont permis d'observer une certaine sensibilité au taux de déformation; après de grandes déformations à la température élevée, les propriétés mécaniques et la microstructure n'ont pas été modifiées appréciablement. Ce comportement est typique des alliages superplastiques.

Des essais de forgeage en matrice ferme, au cours desquels une mince lèvre effilée a été extrudée, d'une manière inverse, sur une billette cylindrique, ont montré que de faibles pressions sont suffisantes pour forger le matériau adéquatement lorsqu'on opère à des températures au-dessus du point de transformation. Les auteurs ont conclu que le forgeage de fluage permet de bien remplir la cavite et d'obtenir un bon fini de surface.     

Recovery and recrystallization of carbon steel between intervals of hot working

Abstract

Interrupted compression tests were used to study the static softening of austenite at temperatures from 780 to 1040°C. Prior straining was carried out at strain rates in the range 10^?3 to 10^?1 s^?1 and interruption strains of up to 0.41 were applied to 0.06% C, 0.42% C and 0.68% C steels, as well as to a modified 0.07% C steel containing niobium.

The results indicate that a critical strain is required for the initiation of static, i.e., classical, recrystallization after prior hot deformation. For strains inferior to this critical amount, recrystallization does not occur at all, even after holding intervals of 10⁵ s or more, and softening takes place instead entirely by static recovery. Evidence is presented for the existence of a second critical strain, about twice as large as the first, which corresponds to a point just before the peak in the flow curve. This is the critical strain for the initiation of post-dynamic (metadynamic) recrystallization. The latter process, unlike the mechanism of classical recrystallization, does not involve an incubation period.

The effects of prior strain, strain rate and temperature on the rates of these three softening mechanisms are compared. Some attention is also given to the influence of alloying elements on softening rates in austenite.

Résumé

Des essais de compression à chaud avec interruptions ont été utilisés pour etudier la restauration statique de l'austénite entre 780 et 1040°C.

La déformation initiale a été effectuée à des vitesses variant de 10^?3 à 10^?1 s^?1 et les interruptions ont eu lieu jusqu'à des déformations de 0.41. Ces essais ont été réalisés pour des aciers à 0.06%C, 0.42%C et 0.68%C, ainsi qu'à un acier à 0.07%C modifié au niobium.

Les résultats indiquent qu'une déformation critique est nécessaire pour initier après déformation la recristallisation statique, c'est-à-dire classique.

Pour des valeurs de la déformation inférieure à cette valeur critique, la recristallisation ne se produit jamasi même après des temps de maintient de l0⁵s ou plus et l'adoucissement qui apparaît est entièrement dû à une restauration statique.

La preuve est faite de l'existence d'une second déformation critique, environ deux fois plus élevée que la premiere, et qui correspond à un point situé juste avant le sommet de la courbe effort-déformation. Cette seconde déformation est la déformation critique nécessaire à l'initiation de la recristallisation post-dynamique (métarecristallisation). Contrairement au mécanisme de la recristallisation classique, cette métarecristallisation ne nécessite pas une période d'incubation.

Les auteurs comparent les effets de la déformation initiale, de la vitesse de déformation et de la température sur ces trois mécanismes d'adoucissement. Ils portent une attention spéciale à l'influence des éléments d'alliage sur l'adoucissement de l'austénite.     

Hydride orientation and tensile properties of Zr-2.5 wt% Nb pressure tubing hydrided while internally pressurized

Abstract

An investigation was carried out to determine the orientation and the effect on tensile properties of hydrides precipitated in heat-treated Zr-2.5 wt% Nb tubing during the corrosion hydriding of internally pressurized samples. It was found that as the stress during hydriding was increased the hydrides gradually assumed a characteristic radial orientation nearly perpendicular to the hoop stress. The observed radial hydride orientation was influenced by prior β grain size, residual quenching stresses, cold-work strains and stresses applied while the pressure tube was being hydrided. Hoop stresses in excess of 20,000 psi were required to produce complete radial orientation of the hydrides.

Transverse tensile tests on the hydrided tubes were conducted using a reduced section ring technique. These tests revealed a low ductility at low temperatures with a transition in the range 60°–100°C for material with radially oriented hydrides. Low tensile ductility was observed at significantly higher temperatures when a massive hydride layer was present near the surface of the test samples.

Résumé

Dans des tubes en Zr-2.5 % poids Nb trempé et vieilli et soumis à la corrosion hydrogenante sous pression, une étude a été entreprise pour déterminer l'orientation des hydrures précipités et leurs effets sur les propriétés mecaniques en traction. Les résultants indiquent que lorsque la contrainte augmente pendant léhydrogenation, les hydrures acquièrent graduellement une orientation radiale caractéristique, à peu prés perpendiculaire à la contrainte circonférentielle. Cette orientation radiale des hydrures est influencée par la taille du grain β initial, les contraintes de trempe résiduelles, les déformations à froid et les contraintes appliquées lorsque le tube sous pression est hydrogéné. Des contraintes circonférentielles supérieures à 20,000 psi sont nécessaires pour produire une orientation parfaitement radiale des hydrures.

Des essais de traction en travers des tubes hydrogénés ont été réalisés en utilisant la technique de l'anneau à section réduite. Ces essais ont révélé une faible ductilité à basses températures avec une transition dans le domaine 60°–100°C pour le matériau à hydrures orientés radialement. Une faible ductilité en traction a été observée à des températures beaucoup plus hautes quand une couche massive d'hydrures existait près de la surface des échantillons.     

Thermodynamics of the Cu-S,Fe-S and Cu-Fe-S systems

Abstract

A thermogravimetric technique was used to measure directly the composition of liquid metal sulphide systems in equilibrium with H₂S/H₂ gas mixtures. The thermochemical properties of the copper-sulphur binary system in the temperature range 1150–1250°C and of the iron-sulphur and iron copper-sulphur systems at 1200°C were determined. Various models of solution behaviour were considered to describe the results obtained in the copper-rich phase of the copper-sulphur binary system. The thermochemical properties in this region were found to be consistent with a model based on polymerization of copper sulphide molecules. Slight negative deviations of a_Cu2S and a_FeS from ideality were observed in the Cu₂S-FeS pseudobinary system, and their behaviour was adequately described by Temkin's model.

Résumé

La détermination directe de la composition de sulfures métalliques liquides en équilibre avec les mélanges gazeux H₂S/H₂ a été réalisée par thermogravimétrie. Les valeurs thermochimiques du système cuivre-soufre ont été mesurées dans une gamme de témperatures comprise entre 1150 et 1250°C tandis que pour les systèmes fer-soufre et fer-cuivre-soufre, elles l'ont été à 1200°C. Les résultats expérimentaux obtenus pour la phase riche en cuivre du système binaire cuivre-soufre ont permis de tester divers modèles relatifs au comportement de la solution. Dans ce domaine de concentration, les propriétés thermochimiques etaient compatibles avec un modèle basé sur la polymérisation des molécules de su1fure de cuivre. Les déviations de l'activité du Cu₂S et du FeS par rapport it une solution idéale etaient faiblement négatives pour le système pseudobinaire Cu₂S-FeS. Le modèle de Temkin explique assez bien ce comportement.     

Kinetics of Cu(II) cementation on a pure aluminum disc in acidic sulphate solutions

Abstract

The rates of copper cementation on pure aluminum discs were studied as a function of (a) initial copper ion concentration, (b) temperature, (c) initial hydrogen ion concentration, and (d) the effect of the peripheral velocity of the Al disc.

At low initial copper ion concentration (1 × 10^?4M), there are two rate-controlling processes: ionic diffusion control at temperatures. above 40°C, and surface reaction control at temperatures below 40° C. At higher initial copper ion concentrations (5 × 10^?3 M), the rate is controlled by a chemical (surface) reaction.

When the-hydrogen ion concentration is increased to 0.7 M, the cementation rate increases. The pH remains constant during the reaction.

The cemented deposit is pure copper. The structure. of the deposit is dependent on both temperature and the initial copper ion concentration. At high initial copper ion concentration (5 × 10^-3 M) and at high temperatures (75° C), the rate, which was constant initially, increases with increasing deposition.

Résumé

Les taux de cémentation du cuivre sur des disques d'aluminium pur ont été étudié en fonction (a) de la concentration initiale des ions cuivres, (b) de la température, (c) de la concentration initiale des ions hydrogene et (d) de l'effet de la vitesse tangentielle du disque d'aluminium.

Pour une faible concentration initiale d'ions cuivre (1 × 10^?4 M) il y a deux processus régulateurs : à des températures supérieures à 40°C un côntrale de diffusion ionique et à moins de 40°C un côntrale de la réaction de surface. Pour des concentrations d'ions cuivre plus élevées (5 × 10^?3 M), le taux est contrôlé par une réaction chimique (de surface).

Quand la concentration des ions hydrogène est augmentée à 0.7M Ie taux de cémentation augmente, lp. pH demeure constant pendant la réaction.

Le dépôt est du cuivre pur et sa structure dépend à la fois de la température et de la teneur initiale en ions cuivre. A haute concentration initiale d'ions cuivre (5 × 10^-3M) et à haute temperature (75°C), le taux, constant du début, augmente quand le dépôt augmente.     

Modeling of Casting Solidification Stochastic or Deterministic?

Abstract

Solidification modeling has had a phenomenal impact on metalcasting in the last decade. Following its initial success in predicting the occurrence of porosity defects, it has grown to be an essential casting engineering tool. As more complex models have been developed (in response to the realization that simple heat flow models were not adequate to solve the shrinkage problem), they are being used to design more efficient gating and risering systems, which minimize the amount of metal poured to produce a good casting. Models today include predictions of fluid flow during mold filling, casting distortion, mold-metal interface reactions and cast structure.

Until a few years ago solidification simulation was based only on deterministic models. As prediction of microstructural evolution became a contemporary problem, the limitation of deterministic models in predicting such features as dendrite coherency, columnar-to-equiaxed transition, dendrite fragmentation

and movement of dendrites by the liquid, became evident. Recently developed stochastic models for solidification are capable of simulating and displaying the growth of columnar and equiaxed grains. However, the physics of dendritic growth is rather approximate. The growth of dendrite arms and their branching are ignored, and only a bulk representation of the grain growth is provided.

A micro-scale approach for more accurate dendritic growth simulation in casting processes is presented in this paper. The model couples stochastic modeling at a length scale of 10^?6 m, with deterministic modeling at a length scale of 10^?4 m. A deterministic tip-velocity model is used to calculate the advance of the dendrite tip. Arm thickening is also calculated with a deterministic law derived from the dendrite tip velocity law and crystallographic considerations in combination with a deterministic coarsening model. However, the overall growth of dendrite arms is derived from probabilistic calculations. Branching of dendrites arm is allowed to occur based on morphologic instability. Thus the dendrite morphology, rather than the gain structure can be simulated.

A discussion on the advantages and limitations of contemporary deterministic and stochastic models is also included. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Résumé

La modélisation de la solidification a eu un impact phénomenal sur le coulage des metaux au cours de la derniere decennie. A la suite de son succes initial a predire l'occurrence de porosite, la modelisation est devenue un outil d'ingenierie essentiel pour lecoulage. Puisque des modeles plus complexes ont été développes (suite à la réalisation que de simples modéles d'écoulement de chaleur n'étaient pas adequats pour la resolution du probleme de retrait), ceux-ci sont utilises pour concevoir des systemes plus efficaces d'attaqué de coulée et de disposition de masselottés. Ces systemés minimisént ainsi la quantité de metal versée pour la production d'un bon coulage. Les modéles d'aujourd'hui peuvent prediré l'écoulement de fluide lors du remplissage du moulè, la distorsion des coulages, les réactions à l'interface moule-metal et la structure du coulage.

Jusqu'à il y a quelques années, la simulation de la solidification était basée uniquement sur des modèles déterministes. Puisque la prediction de l'évolution de la microstructure est devenue un probleme contemporain, la limitation des modéles déterministes à prédire des caracteristiques telles que la coherence des dendrites, la transition basaltique-à-équiaxe, la fragmentation et le mouvement des dendrites par le liquide, est devenue evidente. Les modeles stochastiques de solidification, développes recemment, sont capables de simuler et d'exposer la croissance de grains basaltiques et équiaxes. Cependant, la physique de la croissance des dendrités est plutot approximative. La croissance des dendrites et de leurs embranchements est ignorée et seulement une representation en vrac de la croissance de grain est fournie.

Dans ce document, on présente une approche à l'échelle microscopique afin de fournir une simulation plus exacte de la croissance de dendrite, dans les procedes de coulage. Le modele associé la modélisation stochastique, à une echelle de longueur de 10⁶ m, avec la modelisation deterministe, à une échelle de longueur de 10⁴m. Un modele deterministe de velocite a l'éxtremite est utilise pour calculer l'avance de l'extremite du dendrite. L'épaississement du bras est aussi calcule avec une loi deterministe derivée de la loi de velocité a l'extremité du dendrite et de considerations cristallographiques en combinaison avec un modéle de grossissement deterministe. Cependant, la croissance generale des dendrites est derivée de calculs probabilistes. L'embranchement des dendrites est permis en se basant sur l'instabilite morphologiqué. Ainsi, on peut simuler la morphologie de dendrite, plutot que la structure de grain.

On inclut également une discussion des avantages et des limites des modéles deterministes et stochastiques contemporains. © 1998 Canadian Institute of Mining and Metallurgy. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.     

Texture and anisotropy of zirconium in relation to plastic deformation

Abstract

Possible modes of plastic deformation of tubular materials are analyzed generally. Based on symmetry considerations applied to known textures of zirconium wire and strip, textures of zirconium tubes are predicted as resulting from a wide range of deformation modes. This is made possible by focusing on the main feature of texture, Le., the orientation distribution of basal poles. A relation between texture and the mechanical anisotropy of zirconium is developed, and rules are suggested for softening and hardening caused by texture change. Experimentally, Zircaloy tubes were deformed by various techniques. The resulting textures were determined by X-ray diffraction and the mechanical anisotropy by Knoop-hardness measurement. Each determination is condensed into two representative figures, one describing the type of texture or anisotropy and the other describing the sharpness of texture or the degree of deviation from isotropy.

The experiments verify the predicted relation between type of texture and mechanical anisotropy, and also indicate how degree of anisotropy depends on sharpness of texture. Changes in texture are investigated in relation to plastic deformation, and further refined rules are derived for the direction and rate of these changes. The initially predicted textures are concluded to be stable, i.e., they are reached only after a certain degree of deformation. Zircaloy tubes of three different textures were subjected to tensile testing, closed-end burst testing and open-end burst testing. The observed texture-softening phenomenon corroborates the rules suggested and is considered to commonly occur, as opposed to texture hardening, which requires special combinations of texture and testing method.

Résumé

Les différents modes de déformation plastique possibles dans les tubes ont été analysés d'une façon générale. En se basant sur des considérations de symétrie appliquées aux textures connues pour le zirconium en fil et en bandes, la texture des tubes de zirconium resultant de divers modes de déformation a été prédite. Ceci est possible si l'on tient surtout compte des principes de la texture, c'est à dire, la distribution des orientations des poles de base. Une relation entre la texture et l'anisotropie du zirconium est développée, et des règles sont suggérées pour l'adoucissement et la consolidation dûs à un changement de texture. Dans les expériences, les tubes de zirconium ont été déformés par plusieurs modes. Les textures résultantes ont été déterminées par la diffraction des rayons-X. et l'anisotropie par des mesures de dureté Knoop. Chacune de ces déterminations est représentée dans deux figures, l'une décrivant le genre de texture ou anisotropie, l'autre décrivant la netteté de la texture ou l'écart du caractère isotrope. Les expériences vérifient la relation prévue entre la texture et l'anisotropie. Les changements de texture sont examinés en fonction de la déformation plastique, et d'autres règles plus rigoureuses sont dérivées pour la direction et la vitesse de ces changements. On conc1ut que les textures prévues initialement sont stables, c'est à dire qu'elles ont lieu apres une certaine déformation. Des tubes de Zircalloy de trois textures différentes ont été soumis à des essais detraction, des essais d'éc1atement à extrémités ouvertes ou fermées.

Le phénomène d'adoucissement observé, causé par la texture, est en accord avec les règles suggérées et est généralement présent, ce qui n'est pas le cas du durcissement causé par la texture, durcissement nécessitant des combinaisons spéciales de texture et de méthodes d'essai.     

Strength,damage and failure of iron-carbon alloys subiected to cyclic plasticity

Abstract

The cyclic deformation behaviour, fracture mechanisms and damage accumulation in pure iron and mild steel have been studied in strain control at various temperatures and deformation rates. Explanations are offered for the effects of prior cold working, cyclic deformation rate and temperature, including combinations of these parameters, on the cyclic stress response, dislocation substructure, surface damage and fatigue fracture.

It has been found that steady state cyclic deformation may be achieved by a critical amount of prior monotonic strain and the equivalence of monotonic and cyclic hardening processes is considered and supporting microstructural work is provided.

The influence of cyclic deformation rate on the material behaviour is considered. At room temperature the stress response increases with increasing deformation rate and it is shown that the effective stress component is lower than the equivalent value for monotonic deformation, however, the dislocation velocity exponent is independent of the deformation mode. The substructure is also considered. As the temperature is increased to 370°C changes in the internal stress component occur due to an increase in the rate of dislocation multiplication under dynamic strain aging conditions which enhance inhomogeneous deformation. At higher temperatures, the internal stress component decreases to accelerate thermal recovery.

Studies carried out on pure iron have shown that the fatigue life and the fracture mechanism are influenced by the homogeneity of plastic deformation. The dependence of fatigue life on the degree of dynamic strain aging is shown to be a single valued function of a dynamic strain aging probability element which is discussed. Under such conditions, restricted plasticity retards blunting of the propagating cracks, resulting in a high crack growth rate and a correspondingly decreased life.

On carrying out static strain aging at 125° and 250°C prior to strain cycling, it is observed that the stress response increases with the degree of aging, however, this does not influence the amount of cyclic softening which takes place. As opposed to the effect of dynamic strain aging, it is shown that the fatigue life increases with static strain aging.

Résumé

Les auteurs ont étudié le comportement en déformation cyclique, les mécanismes de rupture et l'accumulation des dommages dans du fer pur et de l'acier doux à différentes températures et taux de déformation. Les expériences ont été conduites en contrôlant la déformation. Ils proposent des explications pour l'influence de l'écrouissage préalable, du taux de déformation cyclique et de la température, ainsi que pour l'effet combiné de ces paramètres, sur la contrainte cyclique, la sous-structure des dislocations, les dégats de surface et la rupture lors de la fatigue.

Ils ont trouvé qu'un état stationnaire de déformation cyclique peut être atteint par une valeur critique de la déformation monotone antérieure. Ils ont étudié l'équivalence éntré les mécanismes de consolidation cyclique et monotone et ils apportent des preuves expérimentales par une analyse de la microstructure.

Ils ont aussi étudié l'influence du taux de déformation cyclique sur le comportement de ces matériaux. A la température ambiante, la contrainte cyclique augmente avec le taux de déformation. Ils montrent que la composante effective de la contrainte est plus basse en déformation cyclique que celle pour des déformations monotones. Cependant l'exposant de l'expression d.e la vitesse des dislocations en fonction de la contrainte est indépendant du mode de déformation. Ils ont aussi étudié la sous-structure. Lorsque la température augmente à 370°C, des changements dans la composante de la contrainte interne ont lieu. La cause en est une augmentation de la vitesse de multiplication des dislocations lorsqu'il y a vieillissement dynamique après écrouissage, ce qui favorise les déformations inhomogènes. A plus hautes températures, la composante de la contrainte interne diminue ce qui accélère la restauration.

Ils montrent que le temps de vie et les mécanismes de rupture dans le fer pur sont influencés par l'homogénéité de la déformation plastique. L'influence du degré de vieillissement dynamique après écrouissage sur le temps de vie en fatigue se caractérise par une fonction monotone de la probabilité de vieillissement dynamique après écrouissage, que les auteurs discutent. Dans de telles conditions, la plasticité roouite rétarde l'émoussement des fissures se propageant, ce qui entraïne une vitesse élevée de propagation ayant pour conséquence une diminution du temps de vie.

Des essais de vieillissement statique à 125° et 250°C avant la déformation cyclique entraïnent une augmentation de la contrainte cyclique qui dépend du degré de vieillissement; cependant, ce vieillissement n'influence pas l'amplitude de l'adoucissement cyclique. A l'opposé de l'effet du vieillissement dynamique après écrouissage, le temps de vie augmente avec Ie vieillissement statiq ue après écrouissage.     

The kinetics of reduction of lead oxide by CO + CO2 gas mixtures

Abstract

The kinetics of reduction of lead monoxide by CO + CO₂ gas mixtures have been investigated in the temperature range 538° to 630°C. The effect of temperature on the over-all rate seems to be slight; an activation energy of 4.8 k cal/g mole was computed from the average rates. The results were interpreted using a diffusion model that considers the reduction to take place primarily at the boundary separating the partially reduced and the unreacted parts of the oxide compact. The over-all resistance to the reduction process appears to consist of two components: gas phase film diffusion and pore diffusion through partially reduced compact. For the most part, the reduction process is dominated by the pore diffusion. In the initial stage (t < 4 min.), the resistance offered by the film diffusion may be significant.

Résumé

La cinétique de réduction du monoxyde de plomb par le mélange gazeux CO + CO₂ a été étudiée pour des températures allant de 538°C à 630°C. L'effet de la température sur le taux global semble faible; une énergie d'activation de 5.8 Kcal/g. mole a été calculée à partir des taux moyens. Les résultats ont été interprétés à l'aide d'un modéle de diffusion qui considére que la réduction se passe d'abord à la frontière entre l'oxyde partiellement rèduit et l'oxyde non réduit de la pastille. La résistance globale au processus de réduction semble formée de deux composantes: la diffusion à travers la couche limite gazeuse et la diffusion dans les pores de l'oxyde partiellement réduit. Pour sa plus grande partie, le processus de réduction est contrô1é par la diffusion dans les pores. Dans le stade initial (t < 4 min), la résistance offerte par la couche limite peut être importante.