Металлургия стали

Явойский В. И., Кряковский Ю. В., Григорьев В. П., Нечкин Ю. М., Кравченко В. Ф., Бородин Д. И.
Металлургия, 1983 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Металлургия стали

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА РАСПЛАВЛЕННОГО ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ
 
§ 3. Краткие сведения из теории жидкого состояния
Жидкий чистый (не содержащий примесей) металл является одноатом­ной, т. е. относительно простой, жидкостью. Однако его природа до сих пор изучена не полностью.
Для кристаллического твердого тела характерен ближний и даль­ний порядок: его атомам свойственно расположение в узлах или в оп­ределенных точках геометрически правильно построенных элемен­тарных ячеек и незначительные колебания около этих равновесных положений (ближний порядок). Элементарные ячейки кристалли­ческой решетки расположены также в правильном порядке (даль­ний порядок). Газам свойственна полная хаотичность движения ато­мов (одноатомные) или молекул (двух-, трехатомные), большая доля колебательной и в особенности трансляционной энергии в общем запасе энергии частиц. Жидкости, по-видимому, занимают проме­жуточное положение между твердыми и газообразными телами, поэтому их природу пытались изучать с использованием законов для твердых тел и реальных газов.
При незначительном перегреве над температурой начала кристал­лизации жидкость по структуре и свойствам ближе к твердому телу, чем к газам. Об этом свидетельствуют следующие факторы:
1. Изменения термодинамических функций состояния вещества при плавлении (энтальпии ДЯ и энтропии AS) на порядок меньше, чем при переходе из жидкого состояния в газообразное (испарение) или при непосредственном переходе из твердого в газообразное (сублимация).
2. Изменение физических свойств тела при плавлении меньше, чем при испарении или сублимации. Так, удельный объем большин­ства веществ изменяется при плавлении не более чем на 5—10 % (в большинстве случаев увеличивается), в то же время плотность и удельный объем тела при испарении изменяются в тысячи раз. Твер­дые тела при температурах, близких к температуре плавления, об­ладают некоторой текучестью, например при обработке их давле­нием, а жидкости характерна сопротивляемость сдвигу (или срезу). Газы практически не обладают сопротивляемостью их формоизме­нению. Электропроводность, магнитная проницаемость, теплопро­водность и другие свойства при плавлении тела незначительно из­меняются.
3. Частицы в жидкостях расплавленных легкоплавких металлов, перегретых на несколько градусов над точкой ликвидуса, расположе­ны небеспорядочно. Их расположение близко к расположению, ха­рактерному для твердого тела вблизи температуры его плавления, т. е. самой высокотемпературной модификации твердого тела. Кри­вая атомного распределения для жидкого металла несколько более размыта, чем кривая для твердого тела, что свидетельствует о мень­шей упорядоченности строения жидкого тела по сравнению с твер­дым. Так, например, наиболее вероятное расстояние между сосед­ними атомами в расплаве, определяемое по положению первого мак­симума на кривой распределения, оказывается менее стабильным, чем расстояние между атомами твердого тела, но эти величины близ­ки по абсолютному значению. В СССР, а затем в Японии были вы­полнены работы по дифракции рентгеновских лучей в жидком же­лезе и его сплавах с углеродом. Обнаружены были черты сходства твердых растворов б-Fe и y-Fe и структур жидких расплавов Fe—С (в зависимости от концентрации углерода в сплавах).
Близость строения малоперегретого над точкой плавления жидкого тела, а также кристаллического, нагретого почти до точки плавления, послужила основанием для создания ряда моделей жидкости или теорий строения жидкостей.
Согласно одной из этих теорий, жидкость состоит из квазикристаллических группировок элементарных частиц, т. е. из группировок, похожих на кристаллы, но отличающихся меньшей упорядоченностью строения.
Согласно другой теории В.И. Данилова, жидкость состоит из огромного коли­чества микроскопических кристаллов. Линейные размеры каждого из этих кристал­лов соответствуют нескольким межатомным расстояниям.
До сих пор для объяснения некоторых свойств жидкости используется теория Стюарта и Бенца, согласно которой в жидкости непрерывно создаются и разруша­ются группировки элементарных частиц, названные роями, или сиботаксисами. Сиботаксисы не имеют определенных границ раздела и являются нестойкими образова­ниями. Есть и другие теории строения жидкости, например недавно сформировавшаяся теория флуктуации, заключающаяся в том, что в жидкости спонтанно созда­ются локальные отклонения от ее средней плотности, энергии (в том числе и тепло­вой) и концентрации, вероятность и число которых определяются законами стати­стической механики.
В последние годы широкое распространение получило понятие «кластеры» как элементарные объемы, составляющие жидкость. Эти элементарные объемы ха­рактеризуются некоторой упорядоченностью строения и центральной и нестабиль­ностью в периферийной части. Кластеры чувствительны к изменениям температуры, при повышении температуры они распадаются на более мелкие и при охлаждении ме­талла укрупняются. Некоторые авторы отождествляют кластеры и единицы вяз­кого течения металла и полагают, что их свойства полностью определяют физико-химические свойства металла. Этих теорий недостаточно, чтобы по свойствам эле­ментарных частиц жидкости рассчитать ее макроскопические свойства. Они не дают объяснений многим явлениям, наблюдаемым в жидкости.
При исследованиях металлурги используют различные модели в зависимости от структуры идеального кристалла. Считается, что при плавлении нарушается даль­ний порядок, характеризующий твердое тело, но сохраняется в той или иной мере ближний порядок расположения элементарных частиц.
При плавлении тела, несмотря на поглощение им теплоты, энтальпия системы возрастает на величину —ДЯ, при этом не происходит увеличения энергии тепло­вого колебания частиц. При достижении телом температуры его плавления, темпе­ратуры равновесия твердого и жидкого тела, энергия тепловых колебаний элемен­тарных частиц обеих этих фаз становится одинаковой.
Скрытая теплота плавления затрачивается на перемещение атомов (или моле­кул) жидкости в положение, в котором они, как правило, обладают большей потен­циальной энергией, чем в кристалле. И в кристалле, и в жидкости каждый атом об­ладает минимальной свободной энергией при Тпл. но для жидкости эта величина выше, чем для кристалла.
При повышении температуры жидкости энергия колебаний (амплитуда и ча­стота) элементарных частиц изменяется. Это приводит к тому, что в противополож­ность твердому телу соседи атомов жидкости меняются гораздо чаще,чем в твердом теле, что и является причиной значительно больших скоростей массопереноса в срав­нении со скоростями, характерными для твердого тела. Однако и в жидкости сред­нее время т, необходимое для перехода элементарной частицы из одного положения равновесия в другое, гораздо больше времени, необходимого для совершения одного колебания т0 относительно каждого из временных, промежуточных положений равновесия данной частицы.
В металлургии имеют дело не с химически чистыми жидкостями, а с растворами, состоящими из двух или более компонентов. В связи с этим необходимо учитывать неравномерность полей сил и энергии связи между различными частицами многокомпонентной жидкости. Способность компонентов смешиваться, образовывать растворы за­висит от многих причин. Для металлов эта способность определяется в первую очередь соотношением атомных объемов растворителя и растворяемого компонента и строением электронных оболочек ато­мов. Встречающиеся в технике металлы не являются чистыми, по выражению А. А. Байкова, оптически прозрачными жидкостями. Обычно они- содержат большое число взвешенных и нерастворимых твердых или жидких частиц. В металлах такие эмульсии или суспен­зии образуют неметаллические включения — продукты раскисле­ния металла или образования труднорастворимых сульфидов и т. п.