3.3. Определение плотности расплавов

Плотность d, одна из основных физических характерис­тик расплавов, непосредственно связана со многими дру­гими (поверхностным натяжением, σ, сжимаемостью χ и теплоемкостью Сv, с динамической вязкостью η, теплотой смешения в жидких сплавах ∆Н_СМ) следующими соотношениями:

а² = σ /(d g); β = γ Сv χ/ V; η = νd, (3.25)

где а² — капиллярная постоянная; g - ускорение сво­бодного падения; β - коэффициент объемного расшире­ния; V - объем; v - кинематическая вязкость.

Образование жидкого сплава, происходящее с погло­щением теплоты смешения, сопровождается увеличени­ем объема расплава относительно объема растворителя. Плотность связана со структурой расплава (с основной характеристикой ближнего порядка - координационным числом z) следующими соотношениями:

z = (Vа/V₀ - А)/[В (Vа/V₀) - С], (3.26)

где постоянные А=0,88; В = 0,2; С = 0,16 и V_а = = 4/3π(n^/r_a)³N_A/M, где r_a - табличный радиус атома; n^/ - коэффициент учитывающий изменение радиуса атома с изменением z; N_A - число Авогадро; V₀ - объ­ем жидкого металла, приведенный к температуре 0 К, или

z = Ar³_cpd/(M — B), (3.27)

где постоянные А = 6,2; В = 2,5; М - молекулярная мас­са; г_ср - среднее межатомное расстояние. Существует зависимость между типом решетки ме­талла и изменением объема при плавлении. Металлы с наиболее компактной упаковкой характеризуются наи­большим увеличением объема при плавлении (3%), элементы с рыхлой упаковкой атомов (например Ge, Si, Bi), характеризуются уменьшением объема (до 4 %) при плавлении вследствие увеличения координационного числа. Между термическим расширением и изменением плотности при плавлении наблюдается следующее соот­ношение: чем больше коэффициент объемного расшире­ния твердого металла, т. е. чем с большей концентрацией вакансий металл вблизи точки плавления, тем меньше требуется пустот, или вакансий для перевода его в жид­кое состояние; для осуществления трансляционных пере­мещений атомов: чем меньше изменение плотности при /плавлении, тем больше коэффициент объемного расши­рения жидкого металла. По значению плотности и ее изменению при плавлении можно судить о степени раз­рыхленности жидкости или концентрации вакансий. В среднем для большинства жидких металлов и сплавов повышению температуры на 100 °С соответствует умень­шение плотности на ~1 % по следующей зависимости: d = A—ВТ, где А, В - постоянные. Отсюда следует, что успешное и корректное измерение плотности жидких ме­таллов возможно при использовании чувствительных методов к малым объемным изменениям с общей ошиб­кой определения плотности 0,1 %.

Из многочисленных методов измерения плотности расплавов по степени распространенности и точности следует выделить следующие: 1) гидростатического взве­шивания; 2) дилатометрический; 3) пикнометрический; 4) проникающего излучения; 5) максимального давления пузыря и метод капли (большой и сплющенной).