Властивості рідкої сталі

Рідка сталь являє собою сплав заліза з різними елемента-ми-домішками. Сполучення цих при-домішок різноманітні, тому свій-ства рідкої сталі змінюються в ши-рокіх межах. Якщо визначати з ви-сокой точністю залежність властивостей рідкої сталі від зміни темпера-тури або концентрації домішок, то немонотонна (стрибкоподібне) изме-ня властивостей характерно для зміни структури рідини (разупоря-дочіванія або, навпаки, асоціації-ції атомів, виникнення мікро- угруповань, розшаровування і т. п.). Властивості рідини, які залежать від зміни її структури, називають структурно-чутливими. До їх числа перш за все відносять пліт-ність, в'язкість, поверхневий натя-ються, електричну провідність, теплопровідність, швидкість поширенню-траненія звуку та ін. В металургії стали найбільш часто використовують дані про щільність, в'язкості і по-поверхневому натягу.

Щільність є одним з важ-кро структурно-чутливих властивостей і визначається виразом уд. де Vуд - питомий об'єм рідкого (або твердого) металу; Vуд = Vат + Vсв, де Vат - сума обсягу атомів або молекул, що не змінює-ся при зміні температури і давши-лення; Vсв - вільний простір між атомами (молекулами), яке змінюється при зміні зовнішніх умов. При зміні Vсв змінить-ся і щільність. Якщо ця зміна має стрибкоподібний характер, то за даних умов (температурі, концентрації домішки та ін.) Має місце зміна будови (структу-ри) рідкої сталі.

Таким чином, перегини або пе-реломи, які спостерігаються на Політерм (криві зміни температури розплаву) або ізотермах (криві зміни складу розплаву при даній тим-пературі) щільності, свідчать про певні зміни ладі-ня розплаву. У більшості дослід-ваний відзначений лінійний (без перег-бов) характер зміни щільності рідких металів від температури, од-нако в деяких дослідженнях на Політерм щільності виявлені перегини.

Існує залежність між ти-пом кристалічної решітки метал-ла і зміною щільності при плав-лення. Метали, що володіють пліт-ними кристалічними гратами, плавляться зі збільшенням обсягу, поні-ням щільності і координаційно-ного числа. Метали, які мають «яких-круглі» кристалічні решітки (тет-рагональние, ромбоедріческіе і

т.д.), плавляться зі збільшенням щільно-сті і координаційного числа і зменшенням питомої обсягу. До та-ким металів відносяться, наприклад, вісмут, сурма та ін. Залізо має щільну грати. Щільність заліза при 1600 ° С становить

7,0 г / см 3; при подальшому підвищенні температури вона зменшується.

В'язкість, так само як і щільність, є найважливішим фізико-хі-ного властивістю рідини. В'яз-кість (внутрішнє тертя) характе-ризует властивість текучих тіл (рідко-стей і газів) чинити опираючись-ня необоротного переміщення однієї їх частини щодо іншої при зсуві, розтягуванні або інших видах деформації. Основний закон в'язкої течії був встановлений Ньютоном:

де F- тангенціальна (дотична) сила, що викликає зсув шарів рідини (газу) одного щодо іншого; - коефі-цієнт пропорційності, що називається коефіцієнтом динамічної в'язкості або в'язкістю, Па • с (те саме, що і Н • с / м 2). Ве-личину, зворотний в'язкості (1 / п), називають плинністю; відношення (v2 - v1) / (z2 -z1 \) - градієнт швидкості течії (швидкість изме-нения від шару до шару), або швидкість зсуву; S-площа шару, по якому відбувається зсув.

Поряд з динамічною в'язкістю для характеристики властивостей рідини часто використовують величину v = / р (р - щільність рідини), називає-мую кінематичною в'язкістю (м 2 / с або см 2 / с). Прилади, за допомогою ко-торих визначають в'язкість рідин (і газів), називають вискозиметрами, а розділ фізики, присвячений вимірювань-ня в'язкості, - Віскозиметри (див. Розд. 9.3).

У рідинах в'язкість є результатом в першу чергу межмоле-кулярного взаємодії, обме-вающего рухливість молекул. Моле-кула з одного шару може проникнути в сусідній шар лише при наявності в ньому порожнини, достатньої для про-скальзиванія туди молекули. Образо-вання порожнини ( «розпушування» рідини) пов'язане з витратою енергії. Ця так звана енергія активації в'язкої течії зменшується з підвищенням температури і зниженням тиску. У 1912р. український фізик Л. І. Ба-чинський, виходячи з припущення, що в'язкі властивості рідини визна-ляють силами міжмолекулярної вза-імодействія, встановив залежність між коефіцієнтом динамічної в'язкості і питомим об'ємом V:

де з і Ь - постійні.

Постійна b близька до питомої обсягу твердого тіла в момент плавл-ня V; відповідно різниця V- b представляє так званий свобод-ний обсяг рідини. Чим більше цей вільний обсяг, тим менше її в'яз-кість. У формулі Бачинського вплив температури на в'язкість враховується через питомий об'єм рідини V, по-кільки він безпосередньо залежить від температури. З підвищенням тим-ператури в'язкість зменшується, так як при цьому відбувається як би раз-розпушування рідини (на що витрачаючи-ється енергія).

З урахуванням різниці обсягів рідко-го і твердого металів Vж - Vтв підлозі-чим = с / (Vж - Vтв). Різниця Vж - Vтв характеризує ступінь розпушення рідини, або сумарний обсяг ва-Кансі.

Я. І. Френкель при розробці ки-генетичних теорії рідин запропонованого-жив використовувати формулу, характе-різующую зв'язок між в'язкістю і температурою:

= Aexp (E / RT). ln = lnA + E / RT

де Е-енергія активації в'язкої течії, що характеризує енергію, необхідну для переходу частки (або групи частинок) з од-ного положення рівноваги в інше. Відповідно до цієї формули величина являє-ся функцією \ / Т, тому залежність в'яз-кості від температури виражається зазвичай графічно в координатах ln-I / Т.

У разі зміни структури рідкого металу при температурах, відповідних зміни ладі-ня (структури) рідкого металу, на графіку цієї функції спостерігається перелом. При розгляді експери-ментальних даних про в'язкості стали необхідно пам'ятати, що домішки, особливо неметалеві включе-ня, помітно збільшують в'язкість. Вплив домішок в рідкому залозі виявляється в посиленні межчастичного-го взаємодії і зменшенні під-рухливості атомів заліза, що призводять до підвищення в'язкості. Крім примі-сей на в'язкість стали помітно впливають і інші фактори (неметалеві включення, гази і т. Д.).

Гістерезис в'язкості. Відомі численні експерименти, в ході яких було встановлено гістеро-зіс в'язкості рідкої сталі, укладаючи-ющийся у невідповідності значень в'язкості, отриманих в режимах нагріву і охолодження металу: в'язкість розплаву в режимі охолодження після нагрівання часто виявляється вище в'язкості при первісному нагріванні . Гістерезис особливо помітний для ле-гірованних сталей. При поясненні цього явища іноді використовують тер-мін «гетерогенність будови рідкої сталі». При цьому мається на увазі звичайно явище збереження або з-будівлі повільно розпадаються угруповань або решіток, відрізняю-трудящих наявністю певних свя-зей. Склад і розміри цих групуються-вок залежать від складу стали і техно-логії плавки. Передбачається, що для кожної стали існує визна-ленна критична температура, при досягненні якої формується квазигомогенную будова розплаву, що усуває гістерезис в'язкості.

Між властивостями стали і її в'яз-кісткою в рідкому стані суті-ет зв'язок. Одночасно з отриманням квазигомогенную будови рідини в результаті усунення гистерезиса в'язкості досягаються максимальні пластичність і ударна в'язкість стали

в твердому стані; властивості міцності стали при цьому знижуються.

Цикл досліджень властивостей жид-кою стали виконаний уральськими вчених-ними П. В. Гельд, Б. А. Баумом і ін. Результати цих досліджень сві-чать про те, що для блешні-ства сталей і сплавів характерно раз-відмінність в'язкості і питомої електрич-ного опору при нагріванні і охолодженні. Дослідники цього питання припускають, що гістерезис в'язкості і електричного опору-лення пояснюється змінами в структурі розплавів.

Найбільш часто зустрічаються (на думку цих вчених) три форми гіс-терезіса в'язкості наведені на рис 10.2. Випадок, коли гистерезис по-є лише при певному пе-регрева над лінією ліквідусу (tr - температура початку розгалуження полі-терм або початку гістерезису), відображений на рис. 10.2, а. При більшому перегрів положення політермах не змінюється. На думку запропонували цю теорію Гельда і Баума, в цьому випадку, по-ві-дімому, зміни нерівноважної структури і наближення розплаву до стану рівноваги, починаючи з не-якої температури, відбуваються мо-Нотона і завершуються при tr. На рис. 10.2, б наведено випадок, коли ги-стерезіс спостерігається тільки при на-нагріванні розплаву до температур, переви-шує температуру аномального зменшення властивостей / ан. При цій температурі відбувається скачкообразен-ве зміна структури розплаву, що і викликає аномальне вище-ня в'язкості і швидкий перехід в рівноважний стан. Нарешті, на рис. 10.2, в ілюструється випадок, коли гистерезис спостерігається тільки при нагріванні до критичної темпера-тури tкр. нагрів до якої при після-дме охолодженні викликає ветвле-ня політермах. На думку Б. А. Баума і Г. В. Тягунова, один з можливих варіантів пояснення такої залежності-сті полягає в наступному. Розплав име-ет не менше двох структурних складаючи-чих, наприклад карбідоподобние комплекси і металеву матрицю. При нагріванні енергія теплового руху-ня частинок зростає пропорциональ-но абсолютної температурі, стійкості-с- міжатомних зв'язків зменшується немонотонно. Однак ця немонотонність-ність в ході нагрівання може не про-з'явитися на цій якості, якщо через трансформаційних змін в окремих структурних со-складових взаємопов'язані і компен-сіруют одне інше. Вони повністю завершуються тільки поблизу tкр. В ході зворотного зниження температури ис-чезнувшая нерівноважна структура не відновлюється, але сили межатом-ного взаємодії проявляються як і раніше немонотонно. Так, в упом-нутой моделі атоми вуглецю знову стають сусідами атомів карбідо-утворюючих елементів. Це погіршує умови їх взаємного переміщення і виявляється в різкому зростанні в'язкості при tr.

Все викладене є лише од-ним з можливих пояснень на-спостерігалися факторів. В даний час немає переконливого тлумачення спостережуваних явищ гістерезису в'язкості. Незрозумілі і інші вияв-женние явища: наприклад, у багатьох (але не у всіх) випадках гистерезис на-блюдается лише при первинному циклі нагрівання та охолодження; для деяких легованих сталей (наприклад, ша-рікоподшіпнікових) переплав не з змінює гістерезис; для багатьох груп

Мал. 10.2. Форми гистерезиса в'язкості 108

легованих сталей чим нижче плас-тичність твердих зразків, тим біль-ше гистерезис.