Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Строение и свойства металлических расплавов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 85 6 7 8 > Следующая >>>

№

п/п

Модели

расплавов

Характерные признаки. Параметры

Квазиполикристаллическая (В.И. Архаров, И.А. Новохатский и др.)

Один из вариантов сиботаксической модели. Введено понятие о кластере. Размер кластера алюминия ~2,1 нм. Жидкость разделена на кластеры и разупорядоченную зону. Срок «жизни» кластеров ~10-9 с. Образование кластеров сложного состава

Квазихимическая (Б.А. Баум, Г.В. Тягунов)

Применимость для сложных систем (стали). Кластеры не имеют четких границ. Образование и устойчивость кластеров определяется их химизмом. Образование «примесных» кластеров (FexC, AlxTi). Радиус кластеров: FexC ≈ 0,7 нм; FexO ≈ 2,3 нм. Время существования кластеров ~10-5

Коллоидная (П.С. Попель)

Существование метастабильной коллоидной неоднородности – коллоидных частиц. Происхождение коллоидных частиц. Частицы-носители наследственной информации. Размеры дисперсных частиц до ~10 нм. Расплав – микрогетерогенная система, состоящая из дисперсной (коллоидные частицы) и дисперсионной фаз. Время жизни коллоидных частиц – десятки часов

Кластерновакансионная (И.В. Гаврилин)

Развитие кластерной модели. Кластер – структурная единица вещества в жидком состоянии. Расплав как система взаимодействия систем элементов вещества и пространства. Время жизни кластеров неограниченно. Кластеры – носители структурной информации

Окончание табл. 3.1

Многочисленность модельных теорий строения микрогетерогенных расплавов обусловлена, прежде всего, полигенным характером расплавов (наличием множества элементов структуры и границ раздела между ними). Следовательно, строение многокомпонентного расплава, существующего в широком диапазоне температур длительное время (как это характерно для промышленных технологий) невозможно объективно описать с позиции какой-то одной модельной теории.

На основании многочисленных исследований В.И. Никитин [28]

пл

зал

Вакансии

1 2 - 3 4

Рис. 3.4. Схема строения многокомпонентного

расплава с унаследованной структурной микронеоднородностью:

1 – активированные нерастворимые дисперсные частицы;

2 – недорастворившиеся коллоидные частицы;

3 – гигантские кластеры разных размеров, составов и морфологии; 4 – пузырьки газов;

5 – – – дезактивированные

–

– малые пузырьки (по В.И. Никитину)

предложил схему строения многокомпонентного реального расплава, существующего в широком диапазоне температур (рис. 3.4). На схеме выделены основные температурные области, отражающие проявление и изменение структуры расплава, унаследованной от исходной шихты.

Наиболее устойчивое сохранение наследственной информации должно проявляться в области А (Тпл ÷ ТА). С повышением температуры расплава происходит ослабление наследственного влияния шихты – область Б (ТА ÷ ТБ). Ослабление влияния наследственных признаков происходит из-за дезактивации нерастворимых дисперсных частиц (1, ), диспергирования коллоидных частиц (2), гигантских кластеров (3) и газовых пузырьков (4) и изменения объема эле-

ментов пространства (вакансий). Полное устранение унаследованной микронеоднородности расплавов происходит в области высоких перегревов (>>ТБ) после разрушения самых мелких элементов структуры расплава (ЭСР) кластерного типа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите основные модели строения микрогетерогенных металлических

расплавов и их авторов.

2. Назовите основные структурные составляющие расплавов позиции ква-

зиполикристаллической и квазихимической моделей строения.

3. Укажите основные различия строения расплавов с позиции квазиполик-

ристаллической и квазихимической моделей.

4. Приведите схему строения расплава Al-Cu с позиции квазиполикри-

сталлической модели.

5. Приведите схему строения расплава Fe-C с позиции квазихимической

модели.

6. Укажите основное отличие кластерно-вакансионной модели от других

кластерных модельных теорий.

7. Назовите основные структурные составляющие расплавов с позиции

коллоидной модели строения.

8. Приведите схему строения расплава с позиции коллоидной модели на

примере расплава Al-Si.

9. В чем заключается основной недостаток кластерных моделей строения

микрогетерогенных расплавов?

10. Приведите схему строения микрогетерогенного расплава в широком

диапазоне температур.

3.2. НЕРАВНОВЕСНОСТЬ СТРОЕНИЯ

МИКРОГЕТЕРОГЕННЫХ РАСПЛАВОВ

Гипотеза о неравновесных состояниях микрогетерогенных расплавов была подтверждена в работах Б.А. Баума и Г.В. Тягунова на основе исследований жидких сталей различных составов. Сталь представляет собой сплав сложного состава на основе железа с углеродом. В жидких сталях присутствует множество различных легирующих и

примесных элементов, которые могут быть в растворенном и нерастворенном состояниях. Следовательно, в зависимости от химического состава, шихтовых материалов, условий выплавки и т.д. в жидких сталях могут протекать различные процессы, связанные с изменениями в их строении. Изменение строения в свою очередь вызывают и изменения структурно-чувствительных свойств, что и характеризует неравновесность таких систем.

Одним из важных доказательств, подтверждающих неравновесность реальных металлических расплавов, является несовпадение значений структурно-чувствительных свойств, измеренных в ходе нагрева расплавов до высоких (для сталей 1700 ÷ 1900 °С) температур, и последующего охлаждения с температуры перегрева. Это явление получило название гистерезиса (ветвление, несовпадение) структурно-чувствительных свойств.

Исследователями установлены различные виды проявления неравновесности в зависимости от состава и предыстории расплавов (рис. 3.5). Гистерезис кинематической вязкости может проявиться при некотором перегреве над линией ликвидуса (рис. 3.5, а). В данном случае изменение неравновесной структуры и приближение расплава к гомогенному (равновесному) состоянию начинается при определенном перегреве и завершается при температуре гомогенизации

. Нагрев до более высоких температур приводит к аномальному

(скачкообразному) изменению вязкости (рис. 3.5, б), т.е. при перегреве до Тан происходит аномальное увеличение кинематической вязкости и переход расплава в гомогенное состояние. При нагреве до критических температур (рис. 3.5, в) структурные изменения в расплавах завершаются только вблизи Ткр с распадом карбидоподобных группировок атомов. При этом скачкообразное изменение вязкости происходит уже в режиме охлаждения расплава.

Для чистых металлов, однофазных сплавов и некоторых марок легированных сталей гистерезис поверхностного натяжения не фиксируется (рис. 3.5, г). С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, а в режиме охлаждения фиксируются те же значения данного свойства, что и в режиме нагрева.

ан

кр

Т υ υ

I а б в σ σ σ

ан

II г д е ж

Рис. 3.5. Варианты изменения кинематической вязкости (I) и поверхностного

натяжения (II) жидкой стали различного происхождения (стрелками

на политермах показаны режимы нагрева и охлаждения)

Для ряда промышленных сталей в режиме нагрева отмечалось повышение поверхностного натяжения (рис. 3.5, д), что объясняли диспергированием (дроблением) поверхностно-активных группировок, образованных примесными атомами. Диспергирование указанных элементов структуры расплава обуславливало увеличение доли дисперсных частиц меньшего размера, что и сопровождалось ростом данного структурно-чувствительного свойства. Отсутствие гистерезисов в приведенных примерах связано, вероятно, с тем, что при перегревах не были достигнуты значения Тг, Тан, или Ткр. Перегрев до указанных температур, например низкоуглеродистых сталей, приводит к тому, что политерма поверхностного натяжения в режиме ох-

лаждения будет располагаться выше политермы в режиме нагрева (рис. 3.5, е) и характеризоваться ростом значений с понижением температуры. Это объясняется тем, что перегрев обеспечил высокую степень однородности расплава. У некоторых высокоуглеродистых и высоколегированных сталей в режиме охлаждения фиксировалось скачкообразное изменение поверхностного натяжения с последующим уменьшением данного свойства (рис. 3.5, ж). Исследователи объясняли это тем, что при охлаждении расплавов из равновесного состояния высокие концентрации углерода и карбидообразующих элементов способствуют формированию поверхностно-активных группировок, размер и состав которых существенно отличаются от исходных (до перегрева).

Явления гистерезиса были установлены и для металлических расплавов другой природы, например для сплавов системы Al-Si.

На рис. 3.6 приведены результаты исследования температуры перегрева на кинематическую вязкость расплава Al-20 %Si. Из приведенных результатов видно, что в режиме нагрева вязкость понижается. Однако при перегреве выше 1000 °С и далее вплоть до 1350 °С отмечается рост значений кинематической вязкости. В режиме охлаждения с 1350 °С ветви политерм практически совпадают, а при температуре Т=1100 °С происходит их ветвление (гистерезис). Причем политерма вязкости в режиме охлаждения располагается выше политермы в режиме нагрева, а с дальнейшим понижением температуры зафиксирован рост вязкости.

Характер изменения данного структурно-чувствительного свойства во многом зависит от содержания кремния в расплаве алюминия. Например, в работе [29] для двойных силуминов установлены следующие особенности изменения вязкости в режимах нагрева и охлаждения (рис. 3.7). Видно, что для до- и заэвтектических силуминов характерно широкое расхождение политерм вязкости в режимах нагрева и охлаждения по сравнению со сплавом с содержанием кремния

11,8 % (близкий к эвтектическому).

Ветвление политерм свидетельствует о протекании необратимых

3,5

4,5

700 800 900 1000 1100

3,5

4,5

700 800 900 1000 1100

7,2

t, ºС

Рис. 3.7. Изменение ν силуминов при нагреве (○) и охлаждении (●):

цифры на кривых – содержание Si, % (по В.Б. Дееву)

3,5

4,5

700 800 900 1000 1100

11,8

3,5

4,5

700 800 900 1000 1100

t, ºС

ν·107, м2/с

Рис. 3.6. Гистерезис кинематической вязкости расплава Al-20 %Si

(по К.В. Никитину)

изменений в структуре жидких силуминов. При температурах, соответствующих точкам ветвления, в расплаве происходит распад (разрушение) тех или иных структурных образований, которые могли бы служить носителями наследственных признаков шихты через расплав в литое изделие. Эти унаследованные микрообразования могут иметь размеры с масштабами около 100 ÷ 1000 Ǻ.

Неравновесность расплавов может проявляться в исследованиях только в режиме нагрева в виде разрывов или переломов на политерме структурно-чувствительного свойства, а также в виде аномального изменения данного свойства. Кроме того, особенность изменений структурно-чувствительного свойства будет зависеть не только от химического состава исследуемого сплава, но и от структуры шихты, из которой он был получен. На рис. 3.8 показано изменение плотности расплава Al-5 %Cu в зависимости от структуры исходного шихтового сплава.

Рис. 3.8. Политермы плотности расплавов Al-5 %Cu,

полученных из шихтовых сплавов с различной структурой:

К-шихта – крупнокристаллический шихтовый сплав;

М-шихта – мелкокристаллический шихтовый сплав (по К.В. Никитину)

Политерма плотности расплава из К-шихты располагается выше политермы расплава из М-шихты. На политермах плотности имеется участок при 810 ÷ 910 °С с широким расхождением между ρL расплавов из К-шихты и М-шихты: ΔρL=0,05 ÷ 0,03 г/см3. При дальнейшем повышении температуры расплавов значения плотности сближаются, что может свидетельствовать о более сильном вырождении унаследо-

ванной структурной информации в расплаве из К-шихты при пере-

Т, 0С

σ, Н/м

греве расплава свыше 960 °С. На политерме расплава из К-шихты выделяются температуры 960 и 1060 °С, при которых происходит немонотонное уменьшение плотности. Подобные перегибы имеются и на политерме расплава из М-шихты, но при пониженных температурах: 810 и 910 °С. Температуры скачкообразных изменений плотности указаны на графике стрелками.

На рис. 3.9 представлены результаты исследования структурночувствительных свойств сплава Al-28 %Cu-6 %Si в жидком состоянии, используемого в качестве припоя в процессах пайки изделий из алюминиевых сплавов.

Рис. 3.9. Изменение физических свойств расплава Al-28 %Cu-6 %Si

в зависимости от температуры:

а – кинематическая вязкость; б – угол смачивания; в – поверхностное натяжение

(К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин и др.)

По результатам вискозиметрического исследования обнаружено ветвление политерм в режиме нагрева и охлаждения. Система Al-CuSi характеризуется сильным взаимодействием компонентов, приводящим в твердом состоянии к образованию ряда термически устойчивых интерметаллических соединений, а в жидком – к наличию ярко выраженных особенностей на изотермах структурно-чувствительных свойств. Начало высокотемпературного совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения в данном эксперименте находится в интервале 950 ÷ 1000 °С.

При охлаждении расплава ниже 950 °С происходит ветвление политерм вязкости с образованием устойчивого гистерезиса во всем исследуемом интервале температур. Отмечено аномальное увеличение угла смачивания при перегреве расплава выше 1000 °С. На политермах поверхностного натяжения начало высокотемпературного совпадающего участка находится в интервале 1050 ÷ 1000 °С. При охлаждении расплава ниже 1000 °С происходит ветвление политерм с образованием замкнутого гистерезиса. Наличие замкнутого гистерезиса политерм может свидетельствовать о восстановлении элементов структуры расплава, отвечающих за данное структурночувствительное свойство, т.е. об обратимости некоторых структурных перестроек элементов структуры расплава в режимах нагрева и последующего охлаждения.

Таким образом, на основании многочисленных экспериментов различных исследователей можно сделать вывод о том, что неравновесность в строении является характерной особенностью большинства микрогетерогенных металлических расплавов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается неравновесность строения микрогетерогенных рас-

плавов?

2. Что такое гистерезис структурно-чувствительных свойств микрогетеро-

генных расплавов?

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 85 6 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]