2. Физические свойства металлических расплавов

Вязкость

По теории свободного объема динамическая вязкость равна

η=с(V-b),

где V- удельный объем, с и b - постоянные. Разность V- b примерно равна свободному объему жидкости, так как b - это объем атомов в жидкости.

Вязкость обратно пропорциональна свободному объему. Зависимость вязкости от температуры можно рассчитать, пользуясь дырочной теорией Я.И.Френкеля, по формуле , где А - коэффициент, не зависящий от температуры; R - газовая посто­янная; Т - температура; E_η- энергия активации

вязкого течения, т.е. энерги "разрыхления" жидкости или энергия дыркообразования. Для простых жидкостей, в которых не происходит структурных преобра­зований, зависимость η от Т имеет экспоненциальный характер или линейный в координатах ln η - 1/T. Отклонение от линейности свидетельствует об изменении структуры жидкостей, которые могут быть вызваны изменением координационного числа.

Вязкость жидких металлов подчиняется также и уравнению Андраде:

η=AM^1/2T¹/²V^-2/³,

где А = 5,7-10^-4; М- атомная масса; V - атомный объем; Т - темпе­ратура плавления.

Вязкость железа и его сплавов. На рис. 73 представлена темпера­турная зависимость вязкости чистого железа. По данным Г.Н.Еланско­го и В.А.Кудрина уравнение зависимости вязкости от температуры

Рисунок 73 -Температурная зави­симость вязкости жидкого железа, по данным: 1 - В.А.Кудрина, Г.И.Еланско­го; 2 — Г.Кавальера; 3 — В.Кригера, Г.Тренклера; 4 - Г.Шенка, М.Фроберга

имеет вид: Igη = -0,855 + 300/T (1550 - 1800 °С). Вязкость железа очень чувствительна к содержанию примесей: кислорода, азота, углерода и других элементов. Влияние примесей проявляется на усилении межчастичного взаимодействия и уменьшении подвижности атомов железа, что приводит к повышению вязкости.

На рис. 74 приведено влияние углерода на вязкость железа. По данным П.П.Арсентьева в зависимости от содержания углерода кривая вязкости имеет сложный характер, который можно объяснить влиянием углерода на структуру расплава. До концентрации 0,05 % С вязкость снижается из-за образования δ-подобного раствора углерода в железе.

Рисунок 74 - Влияние углерода на вязкость жидкого железа

Внедрение углерода разрыхляет структуру расплава. Далее до 0,08 - 0,12 % С вязкость возрастает благодаря возникновению микронеоднородности расплава, вызванной переходом о.ц.к. подобной структуры в г.ц.к. подобную. На третьем участке от 0,12 до 1,0 % С вязкость заметно понижается в связи с разрыхлением г.ц.к. подобной структуры под влиянием углерода. Здесь существует у-подобный раствор углерода в железе. На участке 1,0 - 4,0 % С вязкость плавно уменьшается, усиливается взаимодействие между частицами углерода и железа, которое приводит к образованию железоуглеродистых микрогруппировок. Должно было бы происхо­дить повышение вязкости, но влияет перегрев над температурой ликвидуса при росте содержания углерода. При более высоком содержании углерода - заэвтектический участок - вязкость растет вследствие выделения графита в самостоятельную фазу.

Рисунок 75 - Влияние легирующих элементов на вязкость жидкого железа

На рис. 75 показано влияние основных легирующих компонентов на вязкость жидкого железа. Такие элементы, как V, Та, Ti, Nb,Сг, W, Мо, Си повышают вязкость, Со, Ni и Р понижают. Сущест­венное влияние Ti, Nb, Та объясняется большими по сравнению с железом радиусами. Предполагают, что элементы IVa, Va и Via периодов, стабилизирующие феррит, повышают вязкость железа, а металлы, растворяющиеся в "p-Fe, Co и Ni, понижают. Значительно понижает вязкость железа алюминий. Так, добавка 1 % А1 понижает вязкость на 30 - 40 %.

Плотность

Плотность так же, как и вязкость, является структурно-чувстви­тельной характеристикой жидких металлов. Изменение плотности, происходящее при расплавлении, отражает изменение координа­ционного числа. По мнению В.К.Григоровича металлы, имеющие о.ц.к. решетку, сохраняют ее при плавлении. Опытами было показано, что такие металлы, как таллий, железо, щелочные металлы, имеют ближний порядок, соответствующий о.ц.к. координации. Также должны сохранять свою координацию металлы, имеющиеплотные кубические или гексагональные упаковки: Сu, Ni, Ag, Co, Pt и другие.

При переходе в жидкое состояние происходит разрыхление структуры металла, появляется свободный объем. Поэтому плот­ность жидкого металла на ~ 3 % меньше плотности твердого. Напри­мер, уменьшение плотности для свинца составляет 2,7 %, для ме­ди - 5,0 %.

Плотность можно рассчитать по уравнению: .

ρ=ρ_о/(1-е^U/KT),

где ρ_о - плотность твердого металла; U - энергия образования дырок по Френкелю; К - постоянная Больцмана.

Зависимость плотности расплава от температуры имеет линейный характер. Так, железо имеет следующую температурную зависи­мость плотности ρ = 7,04 - 8 ·10^-4 (Т- 1823); данные Криночкина Э.В., медь - ρ = (9,81 - 10,8·10^-4 Т); никель - ρ = 7,91 - 7,7·10^-4 (Т - 1356).

Плотность сплавов не подчиняется закону аддитивности, хотя для сплавов, образуемых компонентами с близкими физико-химичес­кими свойствами, она может быть определена по закону Вегарда:

ρ_AB=ρ_A·x_A+ρ_B·x_B

где ρ_A и ρ_B - плотности чистых компонентов, x_A и х_B - атомные доли компонентов.

Для многих металлических бинарных расплавов отклонение плотности от аддитивности составляет 1 - 5 %. Чем больше откло­нение системы от идеальной, тем больше отклонение от аддитив­ности.

Поверхностное натяжение

Как вязкость и плотность, поверхностное натяжение является структурно-чувствительным фактором, Изменение сил взаимодейст­вия частиц между собой, размещение частиц в пространстве вызы­вают изменения величин поверхностного натяжения σ. Величину поверхностного натяжения можно рассчитать с помощью работы выхода электронов и радиуса атомов, как это делает Л.Л.Кунин:

δ = 444,5 (φ/R²_o ),

где σ - поверхностное натяжение, мН/м; R_o - радиус атома, нм; φ - работа выхода электронов, эВ.

Величину поверхностного натяжения также можно рассчитать через молярный объем расплава, температуру, избыточный изо-хорно-изотермический термодинамический потенциал, упругость пара и структурный фактор по С.И.Попелю.

Поверхностное натяжение очень чувствительно к наличию при­месей поверхностно-активных веществ. Уже при концентрациях ~ 10~⁷ - 10~⁸ % примеси может происходить заметное изменение поверхностного натяжения.

Рисунок 76 - Зависимость по­верхностного натяжения жидкого железа от тем­пературы по данным: 1 - Ю.Каваи; 2 - А.А.Куп­риянов; С.И.Филиппов; 3 — Э.В.Криночкин, К.Т.Курочкин, П.В.Умрихин; 4 - С.И.Попель; 5 -Б.К.Аллен, У.Д.Кинджери; 6 - В.А.Кудрин, Г.Н.Елан­ский

На рис. 76 представлено изменение поверхностного натяжения жидкого

железа от температуры . Значение повкерхностного натяжения чистого железа составляет 1812 мН/м при 1600

Большое значение в процессе рафинирования металлов имеет межфазное натяжение – поверхностное натяжение. Влияние компонентов металла на поверхностное натяжение жидкого металла показано на рис.77. Кислород и сера значителльно снижают поверхностное натяжение железа.

Рисунок 77 - Влияние легирующих элементов на поверхностное натяжение железа при 1600 ^оС