СТРОЕНИЕ ЖИДКОЙ СТАЛИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Жидкое состояние вещества считается промежуточным между твердым и газообразным. И если идеальный газ характеризуется полным разупорядоче-нием строения, а идеальное твердое тело (кристалл) — полным упорядочением в расположении частиц и неизменностью этого расположения в пространстве и времени, то для жидкости такой идеальной модели пока нет. Известный английский физик Дж. Бернал предложил классифицировать состояния материи следующим образом: кристаллы обладают регулярной и связанной структурой, жидкости — нерегулярной и связанной структурой, газы — нерегулярной и несвязанной структурой. Структура жидкости отличается от структуры кристалла и газа. Кроме того, каждая жидкость имеет ряд структур, которые могут свободно переходить одна в другую.
Расплавленные металлы обладают комплексом свойств, с одной стороны, сходных со свойствами неметаллических жидкостей, а с другой — со свойствами твердых металлов. Характерными отличительными признаками металлических жидкостей (расплавов) от всех остальных жидкостей являются: высокие электрические и гальваномагнитные свойства (электрическая проводимость, т. э. д. с., эффект Холла, обусловленные наличием коллективизированных валентных электронов), высокая плотность в размещении частиц (ионов); при этом удельный объем металлической жидкости в точке плавления не превышает удельный объем кристалла более чем на 2— 6 %, т. е. при плавлении кристалла расстояния между составляющими его частицами изменяются незначительно.
Железо является Зd-переходным металлом. Конфигурация внешних электронных оболочек в твердом железе 3p63d64s2. Радиус атома железа 0,128нм. Кристаллическое железо в зависимости от температуры и давления может находиться в нескольких модификациях ( ).
При рассмотрении железа и его сплавов следует учитывать свойственные сталеплавильным процессам небольшие перегревы металла относительно температуры плавления. Если температура плавления стали в зависимости от ее состава обычно колеблется в пределах от 1450 до 1535 °С, то температура жидкого стального расплава в сталеплавильном агрегате составляет 1500—1650 °С. Например, температура плавления стали -1500 °С, а температура жидкого расплава в пени -1600 ºС, т. е. степень перегрева < 10 %. При таких малых перегревах жидкость (в данном случае жидкая сталь) по некоторым свойствам оказывается ближе к твердому телу, чем к газу. Это обстоятельство (неполная разупорядоченность при переходе стали в расплавленное состояние) необходимо учитывать при рассмотрении проблем, связанных с технологией плавки и качеством металла.
Используемые понятия и термины. В специальной литературе, освещающей проблемы строения жидких металлов, используют термины: статистическая теория жидкости, парный потенциал взаимодействия, функция радиального распределения атомов. Статистическая теория обосновывает взаимосвязь действующих на частицы сил и структуры. Частицы в жидких металлах — это катионы, окруженные электронным газом. Энергия взаимодействия двух частиц, находящихся одна от другой на расстоянии r, характеризуется величиной, называемой эффективным парным потенциалом взаимодействия и обозначаемой обычно (r). Вид функции (г) может быть определен из соответствующих квантовомеханических расчетов. Однако такие расчеты сложны и не привели еще к решению поставленной задачи. По мере уменьшения расстояния между частицами возникают большие квантовомеханичес-кие силы отталкивания и функция (r). резко возрастает; по мере увеличения расстояния функция (r). уменьшается. В жидких металлах, состоящих из положительных ионов, погруженных в электронный газ высокой плотности, на расстояниях, больших, чем диаметр иона, приходится учитывать не только притяжение ионов, но и эффект экранирования электронами положительных ионов. Все это создает достаточно сложную картину взаимодействия.
Поскольку истинный вид парного потенциала взаимодействия определить достаточно сложно, в расчетах используют специальные модели. На рис. 10.1, а показан общий вид парного потенциала взаимодействия частиц (ионов) в жидких металлах, а на графике б приведен пример использования модели парного потенциала взаимодействия. Согласно этой модели, названной моделью жидкости твердых сфер: 1) частицы не могут быть сближены на расстояние, меньшее, чем а; 2) на некотором расстоянии r, равном эффективному диаметру частиц а (r=а), действуют большие силы отталкивания и (r). = +∞; 3) на расстоянии г > а взаимодействие между частицами отсутствует (частицы не отталкиваются и не притягиваются) и (r) = 0.
В статистической теории жидкости используется также функция радиального распределения. Физический смысл этого понятия может быть объяснен следующим образом. Для одноатомной жидкости, не подвергаемой внешним воздействиям и обладающей одинаковыми во всех направлениях свойствами (изотропной), все положения любой ее частицы равновероятны. В такой жидкости распределение частиц относительно любой произвольно выбранной частицы сферически симметрично, а величина g, характеризующая интенсивность взаимодействия частиц, определяется только расстоянием r между частицами. Функцию g(r) называют радиальной функцией атомного распределения (или просто функцией радиального распределения) и определяют экспериментально методами рентгене-, электроне- и нейтронографии. Величина g(r) характеризует изменение вероятности обнаружения какой-либо частицы в сферическом слое на расстоянии г от частицы, выбранной за начало координат (в области вблизи начала координат вероятность нахождения другой частицы равна нулю). На определенном расстоянии от начала координат (обычно равном нескольким диаметрам частицы) все взаимные расположения частиц равновероятны, т. е. имеет место дальний порядок. Колебания значений функции g (r) вблизи начала координат свидетельствуют о наличии ближнего порядка. Если известны- потенциал межчастичного взаимодействия (r). и функция радиального распределения g(r), то можно рассчитать многие равновесные свойства жидкости.
Модели строения жидкого металла.В настоящее время существует большое число модельных теорий строения жидкости.
Рис. 10.1.Схематический вид эффективных парных потенциалов взаимодействия
В 1924 г. советский ученый Я. И. Френкель один из первых, кто обратил внимание на то, что жидкие металлы при температурах, близких к температуре плавления, по многим характеристикам незначительно отличаются от кристаллических тел. При этом свободный объем жидкости, равный избытку объема по сравнению с объемом соответствующего твердого тела при абсолютном нуле, представлен отдельными микрополостями, вакантными узлами или «дырками». Модель получила название дырочная. В соответствии с этой моделью из-за наличия дырок степень порядка в расположении атомов в жидкости меньше, чем у кристалла. Наличием дырок объясняются большие текучесть, сжимаемость, термическое расширение и коэффициенты диффузии у жидкости. Упорядоченное расположение атомов имеется только вблизи каждой частицы (ближний порядок). В рамках дырочной теории тепловое движение в жидкости имеет такой же характер, как и в твердых телах, т. е. сводится в основном к гармоническим колебаниям частиц около некоторого среднего положения. Через какое-то (сколь угодно малое) время частица может занять новое положение, перескочив на расстояние, близкое к межатомному.
В 1927 г. Стюарт и Морроу разработали модель строения жидкости, основанную на представлении о том, что при плавлении межмолекулярное взаимодействие в определенной степени сохраняется (по крайней мере, вплоть до достижения определенной критической степени перегрева). При этом допускается, что упорядоченное размещение частиц в жидкости не ограничивается непосредственно соседними частицами, а простирается на большие объемы, комплексы или группы (так называемый дальний порядок взаимного расположения частиц). Эти группы вначале были названы сиботаксисами'. Сиботаксисы не имеют резко очерченных границ; преимущественная ориентация молекул или атомов в сердцевине непрерывно сменяется беспорядочным расположением частиц в разделяющем сиботак1 Ковчег (греч.).сисы объеме; сиботаксисы непрерывно зарождаются и разрушаются.
1 Ковчег (греч.).
В последние годы в технической литературе вместо термина «сиботак-сис» часто стали применять «кластер»2 (используют также термины «микрогруппировка», «группировка», «рой», «комплекс» и др.). Принято считать, что кластер (или сиботаксис, рой и т. п.) не может быть квалифицирован как представитель другой фазы; он не имеет физической границы раздела, при переходе через которую параметры состояния и свойства изменялись бы скачкообразно, и в то же время он характеризует структуру самой жидкости. Теория жидкого состояния до сих пор находится в стадии разработки, так как не ясны вопросы, связанные с определением продолжительности жизни кластеров, частотой их зарождения и распада, с определением соотношения объемов, занимаемых кластерами и разупорядоченной зоной, с определением степени перегрева, температуры, при которой наступает полное разупорядочение расплава. По некоторым данным, полное разупорядочение наступает при очень высоких перегревах (800-900 °С) над линией ликвидуса.
Имеются и другие модели жидкостей. Следует отметить вклад в исследование- жидкого состояния стали ряда российских ученых: В. И. Данилова, Я. И. Френкеля, Н. А. Вато-лина, В. И. Явойского, П. В. Гельда, С. И. Попеля, Б. А. Баума, А. М. Самарина, А. А. Вертмана, П. П. Арсентьева, В. А. Григоряна, Г. Н. Еланского и др.
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2181;