Материал: Теория литейных процессов

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Данные методы основаны на измерении так называемых структурно­ чувствительных свойств жидких металлов и их сплавов. К ним относятся методы измерения плотности, вязкости, поверхностного натяжения, электросопротивления, скорости распространения звука или ультразвука, магнитной восприимчивости, теплопроводности, излучательной способности и

т.п. В физико-химическом анализе используют более 50 свойств материалов.

Воснову физико-химических методов исследования сплавов положено изучение структурно-чувствительных свойств в зависимости от состава и построение диаграммы «состав - свойства» при различных температурах жидкого состояния. Немонотонное изменение свойств при изменении концентрации и температуры или отклонение расчетных (в рамках какой-либо модели) значений изучаемых свойств от экспериментальных характеризует

структурное изменение жидкой фазы (разупорядочение или ассоциация атомов, расслаивание, возникновение интерметаллических и других фаз и т. п.). Методы измерения некоторых структурно-чувствительных свойств жидкой фазы и результаты исследования их аналитических зависимостей рассмотрены в работах Ри Хосена.

3.1.Вязкость

При движении потока жидкости, когда скорость .течения различных слоев потока неодинакова, в нем самопроизвольно происходят процессы, стремящиеся выровнять скорости течения слоев. Эти процессы называются внутренним трением или вязкостью.

Вязкость, или внутреннее трение, представляет собой внутреннее сопротивление, оказываемое взаимному перемещению смежных слоев жидкости, поэтому и определять ее можно только при движении расплава.

В то время как твердое тело обладает свойством оказывать сопротивление самой деформации, жидкость оказывает сопротивление увеличению скорости деформации. Это свойство жидкости называется вязкостью.

Свойство вязкости тесно связано со структурой жидкости и определяется характером межчастичного взаимодействия. Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости /7, называемый динамической вязкостью. Значение этого коэффициента можно определить, исходя из закономерностей изменения силы внутреннего трения, возникающей между двумя слоями несжимаемой жидкости, перемещающимися с различной скоростью по отношению друг к другу. Для стационарного потока подобной

Модель ньютоновской жидкости (прямая 2) характеризуется наличием

этом смещение слоев происходит при любом малом приложенном сдвиговом усилии. Такая реологическая модель отвечает так называемой ньютоновской жидкости и описывается уравнением

где г - касательное напряжение, возникающее в жидкости, Па; — = — - dx dr

градиент скорости течения жидкости, 1 /с; т/ - коэффициент динамической

ds

вязкости жидкости, П а - с ; ------скорость деформации. dr

При определенных условиях расплавы могут рассматриваться как ньютоновские жидкости, для которых выполняется условие (3.2). ньютоновские жидкости - жидкости, подчиняющиеся закону внутреннего трения Ньютона, в соответствии с которым напряжения т прямо пропорциональны скоростям

деформации — . Характер зависимости — = /(г) для ньютоновской жидкости

представлен на рис. 3.2 (прямая 2). Кривая 4 характеризует поведение неньютоновской жидкости (псевдопластичное тело), где величина г] зависит от скорости деформации. Зависимость 1 отвечает реологическому телу Бингама, течение которого начинается только тогда, когда нагрузка превзойдет статистическое напряжение сдвига. В этом случае

При температурах выше ликвидуса жидкие металлические сплавы по реологическому состоянию близки к вязким ньютоновским жидкостям. В интервале кристаллизации, где система становится гетерофазной, сплав отвечает уже более сложной реологической модели, более близкой к зависимостям 1 и 3, причем величина т0 увеличивается с ростом количества твердой фазы в потоке вплоть до полной потери текучести. Величина, обратная вязкости, является мерой текучести, следовательно, чем меньше вязкость, тем больше текучесть.

Кинематическая вязкость v представляет собой отношение

(3.4)

где v - кинематическая вязкость, м2/с; d - плотность, т. е. масса единицы объема жидкости.

Размерность кинематической вязкости в СИ совпадает с размерностью диффузии. Таким образом, кинематическая вязкость представляет собою как бы коэффициент диффузии для скорости течения.

Андраде определил, что вязкость при температуре плавления равна

Из формулы (3.5) видно, что вязкость является характеристикой энергии связи между атомами (зависимость от Тр). В то же время вязкость должна быть периодической функцией атомного номера, так как зависит от М и V. Поэтому вязкость изменяется в зависимости от электронного строения металла, что видно из табл. 3.1.

Вязкость жидких металлов снижается с повышением температуры и степени их чистоты. Для описания температурной зависимости вязкости жидких металлов чаще всего используется уравнение Я. И. Френкеля

вязкого течения, необходимая для перехода частицы или группы частиц из

температурного интервала (100-200 °С выше точки плавления), что подтверждается линейной зависимостью \grj от 1/Т. Отклонение от линейной зависимости при высоких перегревах свидетельствует об уменьшении Ец.

Значения Ец изменяются в широких пределах (от 5 до 50 кДж/моль) и зависят от природы жидкого металла.

Эмпирическая формула для определения энергии активации вязкого