Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строение и свойства металлических расплавов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Литейные и высокоэффективные технологии»
К.В. НИКИТИН
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2015
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 621.745(075.8)
ББК 34.316я73
Н 62
Никитин К.В.
Н 62 Строение и свойства металлических расплавов: учеб. пособие /
К.В. Никитин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2015. – 77 с.: ил.
Представлены основные сведения об агрегатных состояниях кристаллических веществ. Даны сведения об изменении свойств металлов и полуметаллов
при переходе из твердого состояния в жидкое. Рассмотрены теории плавления и
основные методы изучения металлических расплавов. Представлен обзор современных моделей строения микронеоднородных расплавов; показано, что
существует генетическая связь в системе «шихта – расплав – литое изделие».
Приведены примеры технологий повышения качества сплавов за счет воздействий на расплавы.
Предназначено для студентов очного и заочного обучения, обучающихся
по направлениям 150400 «Металлургия» (профили подготовки: «Литейное производство черных и цветных металлов», «Металловедение и термическая обработка металлов», «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»)
и 150100 «Материаловедение и технологии материалов» (профили подготовки:
«Нанотехнологии», «Наноматериалы», «Материаловедение и технологии новых
материалов», «Композиционные материалы и покрытия»), а также может быть
использовано при магистерской подготовке по указанным направлениям.
Рецензент д-р техн. наук, проф. В.С. Муратов
УДК 621.745(075.8)
ББК 34.316я73
Н 62
© К.В. Никитин, 2015
© Самарский государственный
технический университет, 2015
3
ВВЕДЕНИЕ
В литейном производстве переходы из твердого состояния в жидкое и обратно чередуют друг друга в интенсивном циклическом режиме. Промышленные расплавы, образованные легирующими и примесными компонентами различной природы, являются динамическими образованиями. И если в промышленных технологиях затвердевание расплавов в литейных формах протекает в жестких регламентированных условиях, то расплавы перед литьем могут находиться в
различных структурных состояниях в зависимости от своего происхождения (шихты) и видов оказываемых воздействий в процессе их
приготовления.
Академик А.А. Байков указывал на важность изучения строения
и свойств жидких металлов, так как только в этом случае можно подойти к решению важных производственных задач в области металлургии с научных позиций.
Ценную информацию о строении жидких металлов и бинарных
сплавов дали рентгенографические и дифракционные исследования, результаты которых представлены в работах В.И. Данилова и
В.Е. Неймарка, П.П. Арсентьева и Л.А. Коледова, Н.А. Ватолина и
Э.А. Пастухова. Микронеоднородное строение металлических расплавов подтвердилось результатами седиментационных исследований
А.А. Вертмана и А.М. Самарина по центрифугированию жидкого чугуна, жидких силуминов – в работах Р.В. Кумара. Доказательством взаимосвязи свойств жидких и твердых металлов являются результаты дифракционных исследований и определения структурно-чувствительных
свойств расплавов многих зарубежных ученых: Б. Фроста, Г. Винйарда,
Н. Нормана, О.Дж. Клеппа и др. Дополнительную информацию о
строении бинарных расплавов (например, Al-Si) представляют результаты исследований структурно-чувствительных свойств жидких полупроводников, эвтектических систем и соединений с их участием, полученные группой ученых под руководством Н.Н. Глазова. Эти и многие
другие работы, а также представления Стюарта, Френкеля и Уббелоде о
4
квазикристалличности расплавов послужили фундаментом для современных моделей микронеоднородного строения расплавов.
В настоящее время для описания строения металлических расплавов в зависимости от их природы широко применяются основные
положения таких модельных теорий, как квазиполикристаллическая
(В.И. Архаров, И.А. Новохатский), квазихимическая (Б.А. Баум,
Г.В. Тягунов), кластерно-вакансионная (И.В. Гаврилин, Г.С. Ершов),
коллоидная (П.С. Попель).
Теоретические и экспериментальные исследования по строению
расплавов различных систем позволили рассматривать в единой генетической связи многофакторную систему «шихта – расплав – литое
изделие». Это, в свою очередь, послужило развитием нового научного направления – «Наследственность в литых сплавах» (работы под
руководством В.И. Никитина). Результатом практического применения представлений о структурированности металлических расплавов
стали интенсивные разработки физических способов воздействия на
жидкие сплавы с целью управления и свойствами литых изделий.
5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Т
Т
кр
р
р
кр
С А В
D
D
*
III
II
I
Рис. 1.1. рТ-диаграмма:
I – твердая фаза; II – жидкость; III – газ; АD и AD* – кривые плавления;
СА – сублимации; АВ – кипения; точки А и В – тройная и критическая, соответственно
ОБ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЯХ МЕТАЛЛОВ
1.1. ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ
В последней четверти XIX в. на основании трудов Ван дер Ваальса для описания свойств жидкостей стремились применять видоизмененное уравнение состояния идеального газа, рассматривая жидкости, как уплотненный (конденсированный) газ.
Газ – от греческого слова «хаос» – агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или связаны весьма слабо силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем. Любое вещество можно перевести в газообразное
состояние, изменяя одновременно давление и температуру. На диаграмме состояния чистого вещества (рТ-диаграмме) газовой парообразной фазе соответствует область III (рис. 1.1). Она ограничена кривыми сублимации (возгонки) АС и парообразования (кипения) АВ.
6
Точка А называется тройной точкой, которая соответствует равновесию трех фаз – твердой, жидкой и газообразной. Например, для
воды координаты точки А следующие: ТА =273,16 К, рА = 609 Па; для
СО2: ТА =216,6 К, рА = 516 кПа [1]. При нагреве жидкости при р>рА ее
температура может достичь температуры кипения (линия АВ). Жидкость будет испаряться и переходить в пар (газ) с поглощением теплоты парообразования (кипения) ΔН
. При определенных значениях
кип
температуры и давления, которые называются критическими (точка В), исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и
паром, находящимися в равновесии. Плотность жидкости и пара при
Т
становятся одинаковыми, граница между ними исчезает, и теплота
кр
парообразования обращается в ноль. Критическая точка двухфазного
равновесия «жидкость – пар» является конечной точкой на кривой
испарения и характеризуется критическими значениями температуры,
давления и объема. В двойных системах равновесие «жидкость – пар»
имеет не одну критическую температуру, а пространственную критическую кривую, крайними точками которой являются критические
температуры чистых компонентов, составляющих данную систему.
Над любым расплавленным металлом всегда находится пар, состоящий из его атомов.
Для газообразных веществ характерен полный беспорядок в
расположении составляющих его частиц. Молекулярно-кинетическая
теория рассматривает газ как совокупность слабовзаимодействующих
частиц, находящихся в хаотическом (тепловом) движении. Частицы
перемещаются на большие расстояния и с большой скоростью. Основной составляющей в энергии частиц является энергия перемещения частицы по какой-либо траектории в объеме тела (трансляционная энергия). В большинстве газов простейшими частицами являются
молекулы, состоящие из двух, трех и более атомов. Инертные газы и
газообразные металлы являются одноатомными.
У сильно разряженного газа средние расстояния между молекулами намного больше радиуса действия сил межмолекулярного взаимодействия. Например, при нормальных условиях в 1 см3 газа нахо-
7
дится 2,68×1019 шт. молекул, а среднее расстояние между ними составляет около 10 нм. При этом межмолекулярное взаимодействие
ослабевает уже на расстояниях свыше 0,5 ÷ 1,0 нм [1]. Следовательно,
в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на
расстояние действия межмолекулярных сил. В газах такое сближение
принято объяснять, как столкновение молекул. Радиус действия межмолекулярных сил в 10 раз меньше среднего расстояния между молекулами, так что общий объем, в котором эти силы могут сказываться,
составляет 10-3 от полного объема. Это позволяет считать собственный объем молекул газа в нормальных условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Газ, молекулы которого рассматриваются как не взаимодействующие друг с
другом материальные точки, называется идеальным.
1.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
Кристаллы (от греческого слова «лед») – это твердые тела, об-
ладающие трехмерной периодической атомной структурой и при равновесных условиях образования имеющие естественную форму правильных симметричных многогранников. Кристаллы – это равновесное состояние твердых тел. На рТ-диаграмме чистого вещества
(см. рис. 1.1) кристаллическому состоянию соответствует область I.
Присущее кристаллическому состоянию вещества регулярное
расположение частиц (атомов, молекул, ионов), характеризующееся
периодической повторяемостью в трех измерениях, называют кри-
сталлической решеткой. Существование кристаллической решетки
объясняется тем, что равновесие сил притяжения и отталкивания между частицами, соответствующее минимуму потенциальной энергии
системы, достигается при условии трехмерной периодичности. Атомарная структура кристалла описывается как совокупность повторяющихся в пространстве одинаковых элементарных ячеек, имеющих
форму параллелепипеда с ребрами а, b, с – периодами кристаллической решетки, сходящимися под углами α, β, γ в одной точке.
8
Повторяемость элементарных ячеек в пространстве свидетельствует о наличии в кристалле дальнего порядка. Дальний порядок
включает в себя понятие и ближнего порядка, под которым подразумевается правильность в расположении частиц в узлах кристаллической решетки на расстояниях нескольких координационных сфер.
Число ближайших соседей Z, размещенных вокруг частицы, избранной за начало отсчета, называют координационным числом.
В кристаллах могут реализовываться ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная и промежуточные типы связей.
Все истинные металлы характеризуются металлическим типом
связи. Кристаллические структуры металлов обычно удовлетворяют
требованиям плотнейших упаковок и характеризуются большими координационными числами. Каждый атом в металле стремится окружить себя максимально возможным числом соседних атомов. Строение
металла можно представить как совокупность положительно заряженных ионов (атомных остовов кристаллической структуры), между которыми свободно перемещаются электроны, подчиняющиеся газовым законам (электронный газ). Металлическая связь реализуется через притяжение между положительными ионами и электронами. Свободная
подвижность электронов объясняет высокую электрическую проводимость металлов, а также теплопроводность и пластичность.
Имеется три основных вида кристаллической структуры с металлическим типом связи: гексагональная плотная – ГП; гранецентрированная кубическая – ГЦК; объемно центрированная кубическая –
ОЦК. При комнатной температуре металлы Mg, Ca, Be имеют ГПрешетку; Al, Cu, Co, Ni – ГЦК; все щелочные металлы, а также Fe –
ОЦК. Металлы, например, Ca, Ti, Mn, Fe, Co, при различных
температурах имеют различные кристаллические структуры. Переход
одной кристаллической структуры в другую при определенных для
каждого металла температурах называют полиморфным
превращением, которые могут сопровождаться и изменением
характера межатомной связи и свойств металла [1].
9
Различают идеальные и реальные кристаллы. Под идеальными
понимают кристаллы, лишенные любых дефектов строения, с
правильной трехмерной периодической решеткой во всем объеме
кристалла. Понятие «идеальный кристалл» широко используется в
кристаллографии и теории твердого тела. Однако данное понятие
является идеализацией, так как в реальных кристаллах всегда
имеются различные нарушения в строении кристаллической решетки.
Наличие дефектов обусловлено неравновесными условиями роста
кристаллов при затвердевании расплавов и неизбежным наличием
примесей даже в сверхчистых металлах. В связи с этим кристаллы
промышленных сплавов всегда имеют совокупность дефектов в
своем кристаллическом строении. К дефектам кристаллической
решетки относятся точечные (вакансии, межузельные и примесные
атомы), линейные (дислокации), поверхностные (границы между
разориентированными участками кристалла), объемные (скопления
вакансий, поры) дефекты.
1.3. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ РАСПЛАВЫ
Жидкости являются промежуточным состоянием между твердым
и газообразным состояниями. На рТ-диаграмме чистого вещества (см.
рис. 1.1) жидкому состоянию соответствует область II.
Строение и свойства металлических расплавов зависит от многочисленных факторов, сопровождающих процессы плавления шихтовых металлов, типа плавильного агрегата, условий плавки и подготовки расплавов к литью. Расплавы чистых металлов характеризуются относительно простым строением.
В целом под строением металлических расплавов подразумевают
количественную характеристику взаимного расположения атомов и ионов в пространстве. В свою очередь, данное расположение обусловлено
характером и величиной сил межчастичного взаимодействия. В связи с
этим структура расплавов чистых металлов, по аналогии с кристаллическим состоянием, характеризуется двумя параметрами: межатомным
10
расстоянием и координационным числом. Поэтому считается, что
структура и свойства жидких металлов имеют более близкие параметры
к кристаллическому, чем к газообразному состоянию. Данное утвер-
ждение наиболее справедливо для температур, которые характерны для
стандартных металлургических процессов [1, 2].
В целом, для характеристики строения жидких металлов используется понятие «ближний порядок». Под ближним порядком понимают непосредственное окружение атома, выбранного за точку отсчета в какой-то зафиксированный момент времени. Дифракционными исследованиями было установлено, что ближайшие соседи такого
атома размещаются в окружающем его объеме не хаотично (что характерно для газообразного состояния), а расположены на определенных позициях. Следовательно, нарушение трехмерной периодичности в расположении атомов, характерной для кристаллического состояния, при переходе в жидкость не устраняет ближний порядок [2].
Промышленные сплавы имеют сложный химический состав, зачастую образованный не только металлами, но и полуметаллами и
неметаллами – например, сплавы систем Al-Si и Fe-C. Соответственно, структура таких сплавов в жидком состоянии будет обуславливать особенности их вязкости, плотности, поверхностного натяжения,
электро- и теплопроводности и т.д. В связи с тем, что вышеперечисленные свойства тесно связаны с особенностями строения расплавов
данные свойства называются структурно-чувствительными. Для исследования строения большинства металлических расплавов используются методы, основанные на измерении указанных свойств в интервале температур. По характеру изменения структурночувствительных свойств судят об особенностях строения металлических расплавов [1, 2].
Многочисленными исследованиями установлено, что изменения
в координационных числах, межатомных расстояниях, плотности, теплоемкости и др. при переходе металлов и сплавов из кристаллического в жидкое состояние невелико. Эти факты еще раз подчеркивают
близость строения твердой и жидкой фаз.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]