зависимости вязкости металлических расплавов происходят в предкристаллизационный период, а также при переохлаждениях жидкой фазы. Такое явление наблюдается при переходе в гетерогенное состояние. Для оценки структурных изменений в жидких сплавах довольно часто используют значения энергии Гиббса активации вязкого течения GB«3 и энтропии Гиббса SBB2. Эту связь с динамической вязкостью установил Эйринг:
77 = (WV/v)[exp (AGBJR T \ = (hN/v) [exp (AHBJR T ) exp (- ASBJRT)], |
(3.10) |
||
где ДЯвяз |
~ изменение энтальпии |
вязкого течения; v - мольный |
объем |
жидкости; |
N - число Авогадро; h - |
постоянная Планка. |
|
Для определения ДСВЯЗ, исходя из значений кинематической вязкости, |
|||
можно воспользоваться следующим соотношением: |
|
||
|
AGBB3 = R T h (M v/N h \ |
(3.11) |
|
где М - молекулярная масса жидкости. |
|
||
|
ASBn = -(A G BJvT ) |
(3.12) |
|
определяется по тангенсу угла наклона линии зависимости температуры.
Вязкость зависит от удельной теплоемкости, скрытой теплоты плавления, атомного объема (рис. 3.4, а) и энтропии (рис. 3.4, б) теплопередачи от жидкого металла к форме и др.
Сравнивая между собой значения кинематической вязкости различных металлов, можно видеть, что величина v связана с атомным объемом FaT: чем больше атомный объем металла, тем меньше его вязкость (рис. 3.4, а). Эта зависимость приближенно характеризуется соотношением
V= * -!-, |
(3.13) |
*а т
где к = 4-5.
и стандартным значением их энтропии (б)
Есть еще одна характеристика, проявляющая связь с величиной v, - это энтропия, отражающая степень упорядоченности атомов в сплаве. Кинематическая вязкость жидкого металла тем больше, чем меньше его энтропия, т.е. чем слабее происходит разупрочнение структуры при нагреве
(рис. 3.4, б). Таким образом, два параметра могут служить средством оценки вязкости жидкого металла: а) атомный объем как геометрический фактор; б) стандартное значение энтропии как энергетический фактор.
Известно, что в сплавах энергии взаимодействия одноименных и разноименных частиц могут отличаться. Это может приводить к возникновению различных фаз, а в крайних случаях - к образованию интерметаллических соединений или к несмешиваемости компонентов.
Жидкий бинарный сплав можно рассматривать как раствор из атомов А и В. Если обозначить силы связи между одноименными и разноименными
атомами как FAA, FBB и Fab, то возможны следующие случаи: |
(3.14) |
FAA~ FBB « Fab; |
|
FAA < FAB > FBB; |
(3.15) |
FAA > FAB < FBB; |
(3.16) |
FAA > FAB > FBB. |
(3.17) |
Соотношение (3.14) характеризует образование идеального |
раствора, |
силы связи между одноименными и разноименными атомами близки. Случай (3.15) указывает на наличие мощных сил связи между разноименными атомами, при смешении происходит выделение тепла. Соотношение (3.16) является признаком сопротивляемости компонентов смешиванию и обусловливает наличие химической неоднородности в расплаве. В случае (3.17) также будет химическая неоднородность, однако теплота смешения может быть положительной или отрицательной.
Если исходить из предположения, что при переходе из твердого состояния в жидкое энергия межчастичного взаимодействия мало изменяется, то следует ожидать существования определенной связи между изотермами вязкости и диаграммами состояния:
- согласно H. С. Курнакову, в двойных системах с сильным взаимодействием компонентов, сопровождающимся образованием химического соединения, не диссоциирующего в расплавленном состоянии, на диаграмме «состав - вязкость» должен существовать максимум, соответствующий этому химическому соединению; сингулярная точка наиболее выражена при температурах, близких к температуре плавления химического соединения; при образовании неустойчивого химического соединения максимум вязкости в зависимости от степени диссоциации выражен менее четко; с повышением температуры максимум вязкости сглаживается и перемещается в сторону более тугоплавкого компонента;
-при образовании жидкого раствора характер изотерм вязкости зависит от соотношения сил связей между компонентами и обычно изотермы вязкости слабо выпуклы или вогнуты к оси составов;
-для бинарных металлических систем, в которых компоненты образуют непрерывный ряд твердых растворов, характерно монотонное изменение вязкости при изменении состава; изотермы вязкости представляют либо прямые, либо плавные кривые, слегка изогнутые в ту или другую сторону от
37
оси составов; такой характер изотерм вязкости свидетельствует о малом различии сил связи между одно- и разноименными атомами;
- в системах с интерметаллическими соединениями на изотермах вязкости обнаруживаются пологие или острые максимумы или изгибы при концентрациях, соответствующих составу соединений;
- для эвтектических систем, для которых характерны малые положительные отклонения от идеальности, изотермы вязкости либо прямолинейны, либо проявляют малые отрицательные отклонения от прямолинейной зависимости;
-д л я ряда металлических систем с областью несмешиваемости на изотермах вязкости установлен максимум вблизи критической точки расслоения.
Таким образом, вязкость является структурно-чувственным свойством, активно реагирующим на особенности строения жидкого сплава.
Жидкие сплавы всегда содержат большое количество взвешенных включений. Количество, форма, состояние (жидкое или твердое) и характер распределения неметаллических включений влияют на вязкость расплава.
Особенно сильно повышается вязкость, когда в жидком сплаве образуются твердые включения. Так, проведение раскисления металла в большинстве случаев приводит к образованию мелкодисперсных твердых продуктов (например, Si02, АЮз, МпО в сталях). Введение азота для уменьшения зерна в ферритную высокохромистую сталь повышает ее влияние вследствие образования тугоплавких нитридов хрома. В чугунах из-за присутствия нерастворенных графитных комплексов при небольшом перегреве расплавов вязкость резко повышается. Алюминиевым расплавам свойственно ухудшение текучести ввиду образования А120 3 и т. д.
Сравнение характера течения расплава в литейной форме можно осуществить только при достижении одинакового числа Рейнольдса в обеих
системах: |
|
|
|
|
VD |
= |
V D |
L, |
(3.18) |
К = ^ |
|
|||
V. |
|
V2 |
|
|
где D - характеристические размеры (при течении через трубку это ее диаметр D); V - скорость потока; у - кинематическая вязкость.
Если число Рейнольдса имеет большое значение (например, для серого чугуна - более 7000, для литой стали - более 3500), то в данной системе (канале) течение становится турбулентным и количество протекающей жидкости (расплава) понизится по сравнению с таковым, рассчитанным по уравнению для ламинарного течения в трубке.
Определение вязкости жидких металлов и сплавов представляет большие трудности вследствие высокой температуры и большой реакционной способности металлических расплавов. Для измерения их вязкости применяют
где А - амплитуда колебаний; р - плотность жидкости, кг/м"5; С/ и С2 - постоянные вискозиметра, определяемые по измерению амплитуды колебания в жидкостях с известной вязкостью.
В практике измерения вязкости жидких металлов и шлаков наибольшее распространение получили электровибрационные вискозиметры.
Метод затухающих крутильных колебаний основан на регистрации затухания крутильных колебаний системы, сопряженной с исследуемой жидкостью, и относится к весьма чувствительным методам, позволяющим с достаточной точностью измерять вязкости расплавленных металлов.
Основной величиной, получаемой в ходе эксперимента, является
логарифмический декремент затухания |
|
3 = \пА0-1пА„' |
(3.22) |
п |
|
где Ао и А„ - амплитуда первого и /7-го колебаний; п - число колебаний. |
|
Одно из возможных уравнений для расчета динамической вязкости по |
|
величине декремента затухания следующее: |
|
ô - 6 0=kyfnp, |
(3.23) |
где ô - логарифмический декремент затухания системы с металлом; <5ь - то же, но без металла; к - постоянная прибора, определяемая по металлам с известной вязкостью; р - плотность металла, кг/м3
Метод падающего шарика не нашел широкого применения при измерении вязкости металлургических расплавов из-за трудности его практической реализации и больших ошибок измерений.
3.2.Плотность
Плотность, объемные изменения при плавлении и их температурная зависимость непосредственно связаны с изменением структуры ближнего порядка.
Изменение плотности металлов при плавлении отражает изменение координационного числа и величины межатомных расстояний. В связи с этим данные об изменениях плотности и коэффициента объемного расширения при плавлении и перегреве позволяют получить ценную информацию об особенностях строения металлических расплавов, не прибегая к сложному и трудоемкому дифракционному анализу.
С точки зрения электронного строения, согласно В. К. Григоровичу, металлы, имеющие при высоких температурах о.ц.к.-структуру (К«8), сохраняют ее при плавлении, поскольку не происходит дополнительная ионизация их атомов вследствие высокой устойчивости р6- и с16-оболочек и перекрывание р- и d-орбиталей сохраняется в жидком состоянии. Ближний порядок, отвечающий о.ц.к.-координации, обнаружен у расплавов щелочных, щелочно-земельных, редкоземельных металлов, актинидов, d-переходных