- •Глава 4. Физико-химические свойства металлических расплавов
- •1. Строение и свойства металлических расплавов
- •Дифракционный метод исследования структуры жидкости
- •1. Эффективный диаметр сферы а. 2. Коэффициент упаковки п-3. Парный потенциал межчастичного взаимодействия ф(г).
- •2. Физические свойства металлических расплавов
- •Активносги компонентов металлических расплавов, расчеты коэффициентов активности
Глава 4. Физико-химические свойства металлических расплавов
1. Строение и свойства металлических расплавов
Современные воззрения на структуру и строение жидких металлов
Известно, что в твердом состоянии металл имеет кристаллическое строение. Так, α-Fе имеет строение кубической объемноцентрированной решетки. Постоянная этой решетки а равна 0,286 нм, γ-Fе имеет кубическую гранецентрированную решетку с постоянной 0,356 нм. На рис. 68 показаны эти кристаллические решетки. В узлах кристаллической решетки размещаются положительно заряженные катионы. Валентные электроны атомов "коллективизируются" и образуют электронный газ. Этот газ обладает свойствами идеального газа, частицы которого подчиняются принципу Паули и поведение которых описывается статистикой Ферми - Дирака.
Рисунок 68 - Кристаллическая решетка α-Fe (а), γ-Fe
По принципу Паули состояние каждого коллективизированного электрона определяется набором квантовых чисел, которые определяют положение электрона в пространстве импульсов. В каждом состоянии с данным импульсом находятся два электрона, различающиеся между собой значениями спина. Электроны, имеющие импульс, равный - р, имеют одинаковую кинетическую энергию
Е = р2/2m.
Электроны, обладающие максимальной кинетической энергией при абсолютном нуле, образуют в пространстве импульсов сферу - поверхность Ферми. Энергия таких электронов называется энергией Ферми, которая определяется выражением:
где m - масса электрона, n - плотность электронного газа. Энергия Ферми равна химическому потенциалу металла при абсолютном нуле.
Свойства металла во многом определяются свойствами электронов, находящихся на поверхности Ферми или вблизи нее.
Для точного определения свойств металлов и характера их взаимодействия с другими элементами при образовании растворов и интерметаллических соединений кроме модели электронного газа должны быть привлечены сведения по взаимодействию отдельных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки между собой, характеристика связи электронов с ионами и геометрия размещения ионов в пространстве.
Высокая подвижность электронов в кристаллической решетке металла объясняет высокую электропроводность, теплопроводность.
Упорядоченное размещение частиц в объеме всего кристалла называется дальним порядком. По структуре одной элементарной ячейки в кристаллической решетке можно определить строение всего кристалла металла. При нагревании возрастает амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Некоторые из них срываются со своих мест и переходят в междуузлия. В решетке появляются вакантные, незанятые узлы.
При плавлении концентрация вакансий резко возрастает, подвижность частиц значительно увеличивается, связи между ними ослабляются. Структура материи разрыхляется, дальний порядок нарушается. Однако ближний порядок, т.е. упорядоченное расположение частиц в пределах одной или нескольких соседних элементарных ячеек, сохраняется. Это подтверждается рентгеноструктурными и другими исследованиями жидкого металла.
При плавлении металла его объем увеличивается примерно на 3 %, соответственно расстояние между атомами возрастает на 1 %. Происходит частичное разрушение кристаллической решетки, но полного разрушения не происходит, так как атом, теряя связь с одним соседом, не порывает связь с другим. В сплошной материи образуются "дырки", появляется свободный объем. Он является результатом того, что увеличивается объем вакансий. Дырочная теория строения жидкостей объясняет многие свойства жидких металлов. Но мнению Я.И.Френкеля « . . . тепловое движение в жидкости является чередованием малых колебаний частиц около положения равновесия, а не беспорядочным движением их». Атомы в расплаве в течение непродолжительного времени занимают соседнее положение среди одних и тех же атомов, реализуя тем самым структуру ближнего порядка. Атомы удерживаются в положении равновесия силами, подобными тем, которые связывают частицы в кристаллах, но более слабыми.
Из этого положения вытекает гипотеза, разработанная В.И.Даниловым, что определенный порядок в структуре жидкости является следствием размытия кристаллической решетки твердого тела при его плавлении; структура жидкости "наследует" определенное строение твердого вещества.
Этот вопрос является одним из основных в теории жидкого состояния. От его решения зависят наши возможности воздействия на свойства жидкости или использования этих свойств в определенном, нужном нам направлении. С другой стороны, переход жидкости в твердое тело также представляет большой интерес, ибо в той мере, в какой жидкость наследует строение твердой структуры, так и твердая структура должна наследовать свойства жидкости.
Одним из методов исследования структуры жидкости является применение дифракционных методов.