Современные представления о строении металлической жидкости
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
я следующими факторами. Во-первых, кластеры не являются статистически выделенными и в любой данный момент половиной своей поверхности объединены со всей массой вещества в данном объеме. Во-вторых, кластеры совершают тепловые колебания возле положения равновесия с высокой частотой. В связи с этим кластер нельзя охарактеризовать вне его динамических колебательных свойств.
Рис.1. Изменение структурных параметров жидких металлов с температурой: - приведенный радиус кластеров; - концентрация активированных атомов; Т - температура
Согласно данным Б.А. Баума [5], в стадии приготовления любой металлической жидкости, даже после расплавления всех компонентов и возникновения однофазной, макроскопически однородной жидкости, в ней продолжают осуществляться переход от различных типов ближнего порядка компонентов шихты к иной, более однородной для формирующегося сплава атомной структуре. Естественно, что это сопровождается изменением межчастичных взаимодействий и атомной сегрегации. Изменение внешних условий, например температуры, приводит к изменению структуры ближнего порядка. Причем эти микроскопические характеристики состояния системы могут изменяться значительно медленнее, чем внешние условия. Поэтому нестабильные неравновесные состояния металлической жидкости оказываются довольно устойчивыми.
Испытания механических свойств литых промышленных сталей, проведенные Г.С. Ершовым и А.А. Касаткиным [6], показали, что максимальное повышение свойств, особенно относительного удлинения и сужения, наблюдается в тех случаях. Когда в результате высокотемпературной обработки сталей в жидком состоянии устраняется гистерезис вязкости расплавов. Выдержка жидких сплавов при высокой температуре приводит к стабилизации свойств расплава и при одинаковых условиях затвердевания вызывает стабилизацию механических характеристик твердого металла. При этом предел текучести, предел прочности и пластические свойства сталей значительно повышается.
П.В. Гельд, Б.А. Баум и М.С. Петрушевский установили, что органическая связь термодинамических параметров и структуры расплавов особенно наглядно проявляется в соответствии результатов оценки параметров ближнего порядка, оцененных как по их теплофизическим свойствам, так и по результатам дифракционных исследований.
Примером систем, энергии парных взаимодействий атомов в которых достаточно близки друг к другу, может служить железоникелевый расплав. Комплексное исследование физико-химических свойств этого расплава показало, что, несмотря на незначительное различие в энергиях, разнообразные свойства железоникелевых расплавов изменяются с составом немонотонно и их изотермы заметно отличаются от свойственных идеальным растворам. Примечательно, что обнаруживаемые при малых содержаниях второго компонента аномалии физических свойств (вязкости, плотности, электросопротивления) коррелируется с особенностями на изотермах межатомных расстояний и средних координационных чисел, установленных в результате непосредственных рентгеновских исследований.
Для объяснения подобных экспериментальных данных П.В. Гельд и Б.А. Баум используют представления о микронеоднородном строении железоникелевого расплава, обусловленном неравноценностью различных парных взаимодействий
()
Например, при легировании жидкого железа небольшими количествами никеля формируются кластеры , обогащенный никелем. Это способствует росту плотности расплава и уменьшению его вязкости. Последнее вызывается снижением энергии взаимодействия атомов, входящих в состав комплексов, с окружающей матрицей, что облегчает их относительные смещения. Кроме того, увеличение перекрытия d-орбиталей, атомов железа и никеля, входящих в состав кластеров, сопровождается ростом концентрации s-подобных электронов и увеличением электропроводности расплава.
Опыты показали, что с повышением температуры некоторые физические и структурные характеристики железоникелевых расплавов меняются немонотонно: на политермах вязкости и положениях главного максимума кривой интенсивности рассеяния рентгеновского излучения обнаружены при 1700 четкие аномалии. Их появления можно объяснить изменением структуры ближнего порядка (распадом кластеров), а также усилением взаимодействия между более мелкими единицами вязкого течения. При этом структурные особенности и термическая устойчивость подобных микрогруппировок существенно зависят от состава расплава и присутствия в нем примесей. При наличии в жидком железе 0,05% кислорода температура аномального изменения физических свойств повышается на 50-70, в то время как легирование 10% или молибдена ведет к ее снижению на 50-70.
Отсюда вытекает возможность достаточно эффективного регулирования различных свойств жидких металлических сплавов, в том числе и структуры ближнего порядка, как изменением состава и температуры, так и продолжительностью изотермической выдержки сплава. Так называемая термовременная обработка расплавов позволяет регулировать процесс возникновения в них квазиравновесных комплексов, существенно влияющих на свойства как жидкого сплава, так и продуктов его кристаллизации.
На политермах плотности жидких сталей различного состава экспериментально установлено наличие структурных аномалий в интервале температур 1600-1700 при нагреве и охлаждении и при переохлаждении расплава в интервале температур 1415-1425. Для высокоуглеродистых расплавов с содержанием у