Современные представления о строении металлической жидкости
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
±ольших перегревах над точкой плавления, очень сходны с рентгенограммами поликристаллических объектов с размерами микрокристалликов порядка м. Это указывает на сохранение в микрообъемах жидкости некоторого подобия в распределении атомов с таковым в кристаллическом состоянии. Сходство относится прежде всего к расстоянию между ближайшими атомными соседями и их числу. Из рассмотренных примеров следует, что вблизи температуры плавления определенное сходство между жидкостью и твердым телом несомненно. В то же время различия между жидкостью и кристаллам очевидны. Основным макроскопическим отличием жидкого состояния вещества от кристаллического является изотропия жидкости, которая проявляется также у аморфных тел (переохлажденных жидкостей) и означает независимость структуры и свойств от направления в пространстве. Кристаллам же свойственна анизотропия, микроскопической причиной которой является наличие дальнего порядка в расположении частиц. Он характеризуется воображаемой трехмерной решеткой, в узлах которой находятся атомы (ионы, молекулы), так что положение каждого их них благодаря периодичности структуры строго определено. В жидкостях имеет место лишь ближний порядок, означающий сохранение закономерного распределения частиц лишь в ограниченной области пространства - в пределах нескольких координационных сфер. Последнее обеспечивает текучесть жидкости, свойственную и газам. Жидкости не имеют собственной формы и принимают форму сосуда, в который помещены. Таким образом, природа жидкого состояния двойственна. Поэтому естественно, что многочисленные попытки его количественного описания основывались на сходстве как с кристаллом, так и с газом. Рассмотрим основные представления, сложившиеся к настоящему моменту.
Современные представления о структуре металлической жидкости
В настоящее время существует несколько моделей жидкого состояния металлов и сплавов. К сожалению, общепринятой модели расплавленных металлов и сплавов нет до сих пор.
Все многообразие существующих на сегодняшний день теорий и моделей металлических жидкостей можно разделить на 2 большие группы в зависимости от того, что принимается за структурную единицу жидкости: отдельный атом или группировки атомов.
К первой группе относятся развитые И.З. Фишером [1] модели статистической теории жидкости, ко второй различные варианты теории микронеоднородной жидкости, рассмотренные А.М. Самариным и Д.Р. Вилсоном. Следует особо отметить, что применительно к однокомпонентным жидким металлам чаще используют статистическую теорию жидкости, а к металлическим сплавам - теорию микронеоднородности и её модели.
Согласно В.И. Архарову [2], металлические жидкости состоят из долго живущих кластеров и разупорядоченной зоны с хаотическим расположением атомов. Продолжительности жизни кластеров значительно превышает продолжительность одного цикла термических колебаний атомов в нем. По мнению Г.С. Ершова [3], представление о кластерах, полностью окруженных разупорядоченной зоной, маловероятно. Кластер может быть лишь условно выделен за период времени, больший периода его тепловых колебаний, как микрогруппировка, совершающая собственные тепловые колебания около какого-то положения равновесия. В отличии от грубых упрощений, к сожалению, распространенных в литературе, когда кластеры уподобляют микрокристаллам, более правильно считать кластером группировку атомов, сохраняющую определенный ближний порядок во взаимном расположении, объединяемую общим колебательным движением и в то же время в любой момент объединяемую частично со всей массой вещества в жидкости.
В работе Ершова Г.С. и Бычкова Ю.Б. Физико-химические основы рационального легирования стали и сплавов[4] оценена продолжительность жизни кластеров, составляющая - с, и их размеры, колеблющиеся в пределах 2-5 нм. Указанные значения продолжительности жизни кластеров значительно превышают время тепловых флуктуаций в моноатомной модели жидкости(-с), вследствие чего кластеры нельзя отождествлять с атомными тепловыми флуктуациями. В металлических расплавах, кроме кластеров, подобно вакансиям в твердых металлах, имеется зона межкластерных разрывов, приводящих к образованию определенного числа активированных атомов, которое быстро увеличивается с ростом температуры.
Для расчета основных структурных параметров металлических расплавов авторами данной книги были получены следующие зависимости:
,
Где - относительная концентрация активированных атомов в металлическом расплаве;
- объем зоны межкластерных разрывов;
- средний радиус кластеров;
и - соответственно скрытые теплоты плавления и испарения;
, и - коэффициенты упаковки; Е - модуль упругости вещества; а - межатомное расстояние в кластере; - частота тепловых колебаний кластеров; - константа Френкеля; - число Авогадро.
МеталлAlCuZnPbFeCoWNi,,323,736,015,327,815,522,326,0,%5,34,85,44,15,14,03,65,1, нм2,051,481,042,621,804,461,751,323150165048063002700650018501200,2,65,50,850,794,260,345,65,6
Как уже отмечалось, с ростом температуры концентрация активированных атомов быстро возрастает и достигает 100% при температуре испарения. Размеры кластеров с ростом температуры быстро уменьшается, одновременно возрастает их число в единице объема металлического расплава.
Отмеченные выше изменения свойств возможны только при очень динамичной структуре, в которой постоянно совершается интенсивный массообмен и перестройка, что определяется двум