СВОЙСТВА ЖИДКОЙ СТАЛИ
Жидкая сталь представляет собой сплав железа с различными элементами-примесями. Сочетания этих примесей многообразны, поэтому свойства жидкой стали изменяются в широких пределах. Если определять с высокой точностью зависимость свойств жидкой стали от изменения температуры или концентрации примесей, то немонотонное (скачкообразное) изменение свойств характерно для изменения структуры жидкости (разупоря-дочивания или, наоборот, ассоциации атомов, возникновения микрогруппировок, расслаивания и т. п.). Свойства жидкости, которые зависят от изменения ее структуры, называют структурно-чувствительными. К их числу прежде всего относят плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электрическую проводимость, теплопроводность, скорость распространения звука и др. В металлургии стали наиболее часто используют данные о плотности, вязкости и поверхностном натяжении.
Плотностьявляется одним из важнейших структурно-чувствительных свойств и определяется выражением уд , где V уд— удельный объем жидкого (или твердого) металла; V уд = Vат + V св, где Vат — сумма объема атомов или молекул, не изменяющаяся при изменении температуры и давления; V св — свободное пространство между атомами (молекулами), которое изменяется при изменении внешних условий. При изменении V св изменится и плотность. Если это изменение имеет скачкообразный характер, то при данных условиях (температуре, концентрации примеси и др.) имеет место изменение строения (структуры) жидкой стали.
Таким образом, перегибы или переломы, наблюдаемые на политермах (кривые изменения температуры расплава) или изотермах (кривые изменения состава расплава при данной температуре) плотности, свидетельствуют об определенных изменениях строения расплава. В большинстве исследований отмечен линейный (без перегибов) характер изменения плотности жидких металлов от температуры, однако в некоторых исследованиях на политермах плотности обнаружены перегибы.
Существует зависимость между типом кристаллической решетки металла и изменением плотности при плавлении. Металлы, обладающие плотными кристаллическими решетками, плавятся с увеличением объема, понижением плотности и координационного числа. Металлы, имеющие «рыхлые» кристаллические решетки (тетрагональные, ромбоэдрические и
т.д.), плавятся с увеличением плотности и координационного числа и уменьшением удельного объема. К таким металлам относятся, например, висмут, сурьма и др. Железо имеет плотную решетку. Плотность железа при 1600 °С составляет ~7,0 г/см3; при дальнейшем повышении температуры она уменьшается.
Вязкость,так же как и плотность, является важнейшим физико-химическим свойством жидкости. Вязкость (внутреннее трение) характеризует свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении или других видах деформации. Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:
S
где F— тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) одного относительно другого; — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или вязкостью, Па • с (то же, что и Н • с/м2). Величину, обратную вязкости (1/п), называют текучестью; отношение (v2 — v1)/(z2 –z1\) — градиент скорости течения (быстрота изменения от слоя к слою), или скорость сдвига; S—площадь слоя, по которому происходит сдвиг.
Наряду с динамической вязкостью для характеристики свойств жидкости часто используют величину v = /р (р — плотность жидкости), называемую кинематической вязкостью (м2/с или см2/с). Приборы, при помощи которых определяют вязкость жидкостей (и газов), называют вискозиметрами, а раздел физики, посвященный измерению вязкости, — вискозиметрией (см. разд. 9.3).
Вязкость воды при 25 ºС равна 0,00089 Па-с, глицерина —0,5 Па • с. Вязкость при 1600 °С чистого железа, по разным данным, составляет 0,0045—0,0060 Па • с, вязкость стали в зависимости от ее состава — 0,005— 0,0085 Па • с, мартеновского шлака — 0,02-0,04 Па • с.
В жидкостях вязкость является результатом в первую очередь межмолекулярного взаимодействия, ограничивающего подвижность молекул. Молекула из одного слоя может проникнуть в соседний слой лишь при наличии в нем полости, достаточной для проскальзывания туда молекулы. Образование полости («рыхление» жидкости) связано с расходом энергии. Эта так называемая энергия активации вязкого течения уменьшается с повышением температуры и понижением давления. В 1912г. русский физик Л. И. Ба-чинский, исходя из предположения, что вязкостные свойства жидкости определяются силами межмолекулярного взаимодействия, установил зависимость между коэффициентом динамической вязкости и удельным объемом V:
c/(V-b)
где с и Ь — постоянные.
Постоянная b близка к удельному объему твердого тела в момент плавления V; соответственно разность V— b представляет так называемый свободный объем жидкости. Чем больше этот свободный объем, тем меньше ее вязкость. В формуле Бачинского влияние температуры на вязкость учитывается через удельный объем жидкости V, поскольку он непосредственно зависит от температуры. С повышением температуры вязкость уменьшается, так как при этом происходит как бы разрыхление жидкости (на что затрачивается энергия).
С учетом разности объемов жидкого и твердого металлов Vж-Vтв получим = с/( Vж - Vтв). Разность Vж - Vтвхарактеризует степень разрыхления жидкости, или суммарный объем вакансий.
Я. И. Френкель при разработке кинетической теории жидкостей предложил использовать формулу, характеризующую связь между вязкостью и температурой:
=Aexp(E /RT). ln =lnA+E /RT
где Е — энергия активации вязкого течения, характеризующая энергию, необходимую для перехода частицы (или группы частиц) из одного положения равновесия в другое. В соответствии с этой формулой величина является функцией \/Т, поэтому зависимость вязкости от температуры выражается обычно графически в координатах ln -I/Т.
В случае изменения структуры жидкого металла при температурах, соответствующих изменению строения (структуры) жидкого металла, на графике данной функции наблюдается перелом. При рассмотрении экспериментальных данных о вязкости стали необходимо помнить, что примеси, особенно неметаллические включения, заметно увеличивают вязкость. Влияние примесей в жидком железе проявляется в усилении межчастичного взаимодействия и уменьшении подвижности атомов железа, приводящих к повышению вязкости. Кроме примесей на вязкость стали заметно влияют и другие факторы (неметаллические включения, газы и т. д.).
Гистерезис вязкости.Известны многочисленные эксперименты, в ходе которых был установлен гистерезис вязкости жидкой стали, заключающийся в несоответствии значений вязкости, полученных в режимах нагрева и охлаждения металла: вязкость расплава в режиме охлаждения после нагрева часто оказывается выше вязкости при первоначальном нагреве. Гистерезис особенно заметен для легированных сталей. При объяснении этого явления иногда используют термин «гетерогенность строения жидкой стали». При этом подразумевается обычно явление сохранения или создания медленно распадающихся группировок или решеток, отличающихся наличием определенных связей. Состав и размеры этих группировок зависят от состава стали и технологии плавки. Предполагается, что для каждой стали существует определенная критическая температура, при достижении которой формируется квазигомогенное строение расплава, устраняющее гистерезис вязкости.
Между свойствами стали и ее вязкостью в жидком состоянии существует связь. Одновременно с получением квазигомогенного строения жидкости в результате устранения гистерезиса вязкости достигаются максимальные пластичность и ударная вязкость стали
в твердом состоянии; прочностные свойства стали при этом понижаются.
Цикл исследований свойств жидкой стали выполнен уральскими учеными П. В. Гельдом, Б. А. Баумом и др. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что для большинства сталей и сплавов характерно различие вязкости и удельного электрического сопротивления при нагреве и охлаждении. Исследователи этого вопроса предполагают, что гистерезис вязкости и электрического сопротивления объясняется изменениями в структуре расплавов.
Наиболее часто встречающиеся (по мнению этих ученых) три формы гистерезиса вязкости приведены на рис 10.2. Случай, когда гистерезис появляется лишь при определенном перегреве над линией ликвидуса (tr-температура начала ветвления политерм или начала гистерезиса), отражен на рис. 10.2, а. При большем перегреве положение политерм не изменяется. По мнению предложивших эту теорию Гельда и Баума, в этом случае, по-видимому, изменения неравновесной структуры и приближение расплава к состоянию равновесия, начиная с некоторой температуры, происходят монотонно и завершаются при tr. На рис. 10.2, б приведен случай, когда гистерезис наблюдается только при нагреве расплава до температур, превышающих температуру аномального уменьшения свойств /ан. При этой температуре происходит скачкообразное изменение структуры расплава, что и вызывает аномальное повышение вязкости и быстрый переход в равновесное состояние. Наконец, на рис. 10.2, в иллюстрируется случай, когда гистерезис наблюдается только при нагреве до критической температуры tкр, нагрев до которой при последующем охлаждении вызывает ветвление политерм. По мнению Б. А. Баума и Г. В. Тягунова, один из возможных вариантов объяснения такой зависимости состоит в следующем. Расплав имеет не менее двух структурных составляющих, например карбидоподобные комплексы и металлическую матрицу. При нагреве энергия теплового движения частиц возрастает пропорционально абсолютной температуре, устойчивость межатомных связей уменьшается немонотонно. Однако эта немонотонность в ходе нагрева может не проявиться на данном свойстве, если изменения в отдельных структурных составляющих взаимосвязаны и компенсируют одно другое. Они полностью завершаются только вблизи tкр. В ходе обратного понижения температуры исчезнувшая неравновесная структура не восстанавливается, но силы межатомного взаимодействия проявляются по-прежнему немонотонно. Так, в упомянутой модели атомы углерода снова становятся соседями атомов карбидо-образующих элементов. Это ухудшает условия их взаимного перемещения и обнаруживается в резком возрастании вязкости при tr.
Все изложенное является лишь одним из возможных объяснений наблюдаемых факторов. В настоящее время нет убедительного толкования наблюдаемых явлений гистерезиса вязкости. Не ясны и другие обнаруженные явления: например, во многих (но не во всех) случаях гистерезис наблюдается лишь при первичном цикле нагрева и охлаждения; для некоторых легированных сталей (например, шарикоподшипниковых) переплав не из меняет гистерезис; для многих групп
Рис. 10.2.Формы гистерезиса вязкости 108
легированных сталей чем ниже пластичность твердых образцов, тем больше гистерезис.
ВЛИЯНИЕ ИСХОДНЫХ
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 3028;