Металлические расплавы и их свойства

Арсентьев П.П., Коледов Л.А.

Металлургия, 1976 г.

ВЯЗКОСТЬ БИНАРНЫХ СПЛАВОВ

При обсуждении характера изменения вязкости сплавов от их состава принято сопоставлять данные вязкости с типом диаграммы состояния.

Исследования вязкости сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, показали, что изотермы вязкости в таких системах представляют собой монотонные линии, либо прямые, либо слегка изогнутые в ту или иную сторону. Такой характер изотерм объясняется тем, что компоненты расплава имеют близкие атомные объемы, сходное строение электронных оболочек, и силы связи между атомами разного сорта мало отличаются от сил связи между одноименными атомами.

Значительное химическое сродство компонентов в системах с интерметаллическими соединениями приводит к следующим особенностям вязкостных характеристик:

1. Изотермы вязкости часто имеют максимум при концентрациях, соответствующих составу интерметаллического соединения. В зависимости от энергии взамодействия между компонентами и устойчивости интерметаллического соединения максимум на изотермах вязкости может быть пологим или острым. В некоторых случаях максимум несколько сдвинут от состава интерметаллического соединения, иногда он вырождается в точку перегиба на изотермах вязкости.

2. Максимумы на изотермах вязкости при повышении температуры уменьшаются по величине и сглаживаются.

3. При изменении температуры максимумы на изотермах могут сдвигаться в сторону одного из компонентов.

4. Энергия активации вязкого течения имеет максимальное значение в области концентраций, близких к интерметаллическому соединению.

5. Энергия активации вязкого течения заметно зависит от температуры.

Наличие максимумов на изотермах вязкости в области существования интерметаллического соединения при температурах, близких к температуре ликвидуса, указывает на то, что в жидких расплавах действуют те же силы связи, которыми обусловлено существование интерметаллидов в твердом состоянии.

Эти силы проводят к определенной координации атомов или даже к возникновению преимущественных группировок атомов внутри жидкого расплава, что соответствует данным структурных исследований жидких сплавов. Вязкость как структурно-чувствительная характеристика отражает это состояние расплавов появлением максимума на ее изотерме. Уменьшение величины максимума с ростом температуры позволяет предполагать о существовании процессов, приводящих к разрушению группировок и гомогенизации расплава и (или) к качественным изменениям типа связи между компонентами.

Е. Гебхардт с сотрудниками [254] отметил эти явления в следующих расплавах: Cu—Sn, Ag—Sn, Au—Sn, Mg—Pb, Mg—Sn. Две последние системы образуют интерметаллические соединения Mg2Pb и Mg2Sn, подчиняющиеся правилу валентностей и имеющие определенную долю гетерополярных связей (фазы Цинтля). В этих сплавах при температурах, непосредственно примыкаю-щих к температуре плавления интерметаллического соединения, максимум на изотермах вязкости точно соответствует составам Mg2Pb или Mg2Sn, а при повышении температуры область максимума сдвигается в сторону менее вязкого компонента — магния (рис. 92). Это показывает, что в жидком расплаве с повышением температуры происходит изменение соотношения различных типов связи: доля гетерополярных связей уменьшается, в то время как доля металлических растет [141]. Сравнение систем Mg— Pb и Mg— Sn показывает, что максимум вязкости при Mg2Sn более устойчив при повышении   температуры,   чем   максимум,   соответствующий  Mg2Pb. Это соответствует более прочной связи в системе Mg— Sn, в которой максимальная энтальпия образования равна —3,5 ккал/моль, в то время как в системе Mg— Pb она равна — 2,3 ккал/моль.

Для эвтектических систем, в которых эвтектика образована чистыми компонентами либо твердыми растворами, опубликовано наибольшее количество экспериментальных данных об их вязкости. Данные различных источников для многократного исследованных систем зачастую сильно расходятся. В большинстве случаев эвтектические системы образуются с малыми положительными отклонениями от идеальности. В соответствии с этим изотермы вязкости эвтектических систем либо линейны, либо проявляют малые отрицательные отклонения от линейной зависимости. Во многих случаях сообщалось об особенностях изотерм вязкости вблизи эвтектического расплава (изгиб, минимум или максимум), однако эти данные требуют тщательной проверки и в ряде случаев опровергнуты надежными экспериментальными исследованиями.

Исследования вязкости металлических систем с областью несмешиваемости показали [255, 256], что изотермы вязкости имеют максимум вблизи критической точки расслоения. Эти данные подтверждаются исследованиями неметаллических систем (вода — фенол) [255] и смесей органических жидкостей (изоктан-перфтор-гептан) [257]. В качестве примера на рис. 93 представлены изотермы вязкости систем сплавов Ga— Cd, Ga— Biи Ga— Hg[258]. В системе Ga— Cd  область несмешиваемости невелика и отклонения от равномерного хода изотермы вязкости вблизи критической точки незначительны. Наоборот, в системе Ga— Hg  имеется обширная область несмешиваемости и изотерма вязкости при температуре, близкой к критической точке расслоения, при эквиатомном составе имеет острый пик, размывающийся с повышением температуры расплава.

Система Ga— Bi  занимает промежуточное положение между двумя указанными выше системами как в отношении распространенности области несмешиваемости на диаграмме состояния, так и по выраженности максимума на кривой вязкости. Пик вязкости все же отчетливо наблюдается при небольших перегревах над критической точкой и точно совпадает с ее положением по оси концентраций (~30% (ат) Bi). Как видно из данных экспериментов, гомогенизация расплава и перемешивание атомов разного сорта при повышении температуры приводят к получению плавной изотермы вязкости. При температурах, близких к температуре расслоения, возникновение группировок одноименных атомов приводит к появлению максимума вязкости.