Жидкий металл какая плотность

     Агрегатные состояния жидких металлов      Существует четыре основных состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное и плазма, из которых к литейным процессам следует отнести два первых.

       В обычных условиях структура металла представляет собой кристаллическую решетку. Кристалл рассматривают как правильную совокупность атомов, которые не обязательно имеют одинаковую природу.

Всякий атом  занимает свое место, определяемое характером его геометрической взаимосвязи с кристаллической решеткой и характеризующее собой среднее положение центра этого атома (рисунок 1).

     Рисунок 1 – Кристаллическая решетка железа      В действительности атом совершает тепловые колебания в пространстве между соседними атомами. При  нагревании в определенный момент тепловые колебания становятся настолько сильными, что дальний порядок между атомами нарушается и металл переходит в жидкое состояние.

     Жидкие металлы, как и другие жидкости, незначительно перегретые над точкой начала кристаллизации, гораздо ближе по структуре и свойствам к твердому телу, нежели к газам. На это указывает ряд факторов:

     Строение жидких металлов      Современные теории жидкостей в какой-то мере объединяют две ранее существовавшие крайние точки зрения на природу жидкостей и учитывают те двойственные черты их поведения, которые вытекают из промежуточного положения жидкого агрегатного состояния вещества. Металлофизики, например, Б.Чалмерс, считают, что жидкость представляет собой совокупность атомов и молекул, колеблющихся со средней энергией

3 kТ/ 2 (К постоянная Больцмана = 1,38 . 10 – 23 Дж/ град) и со средней частотой ν . Всякий атом входит в то или иное кристаллоподобное  образование (кластер), которые ориентированы беспорядочно. Часть пространства между ними остается незаполненной атомами.

Кластеры (рисунок 2) очень быстро возникают и тут же распадаются из-за перехода атомов от одного из них к другому через вакансии — промежуточные пустоты. Вероятность появления и число микрозародышей твердой фазы определяются законами статистической физики.

В любой данный момент в жидкости существует значительный ближний порядок, когда всякий атом связан с каким-то другим и даже со многими другими соседями точно так же, как это бывает в кристалле.

     Рисунок 2 – Кластер      В соответствии с теорией флуктуации в жидкости спонтанно возникают локальные отклонения от ее средней концентрации, энергии и плотности, число и вероятность которых диктуются законами статистической механики.      Для объяснения определенных свойств жидких расплавов используется теория Стюарта и Бенца, согласно которой в жидкостях непрерывно разрушаются и создаются группировки элементарных частиц, называемых роями или сиботаксисами. Эти группировки являются нестойкими образованиями и не имеют четких границ раздела.      Согласно кластерной модели Архарова и Новохатского расплав представляет собой сочетание кластеров и разупорядоченной зоны. Кластеры характеризуются  определенной упорядоченностью строения центральной части и нестабильностью периферийных частей. При повышении температуры кластеры распадаются на более мелкие, при охлаждении металла укрупняются.

     Основной смысл общепринятой в настоящее время теории Я.И. Френкеля состоит в том, что переход из твердого в жидкое состояние обусловлен скачкообразным увеличением количества вакансий.

Это вызывает большую подвижность частиц и жидкости в целом, а также объясняет скачек растворимости многих веществ, при расплавлении растворителя. Необходимый избыток энергии обеспечивается флуктуациями. Вакансии (дырки) имеют размер порядка 10–10 м.

  По Томпсону работа  образования сферической полости в жидкости радиусом r  равна:

     Работа   ΔZ соизмерима с теплотой испарения. Важен тот факт, что для превращения жидкости в кристаллическое состояние необходимо при температуре превращения отвести тепло, соответствующее скрытой теплоте плавления. При этом атомы переводятся в позиции с меньшей потенциальной энергией, чем в жидкости. Однако в обоих случаях каждый атом имеет минимальную свободную энергию, но в жидкости эти минимумы выше, чем в кристалле.      В большинстве случаев плотность расплава меньше, чем у кристалла. Кристаллы же германия, кремния, галлия и висмута менее плотные своих расплавов и упругие свойства обеспечиваются исключительно упорядочением атомов.      Есть и другие теории жидкого состояния, но ни одна из них не позволяет по параметрам элементарных частиц жидкости высчитать ее микроскопические свойства. Не дают они объяснения многим явлениям, которые наблюдаются  в жидкости, например, возможности значительного переохлаждения.

     Свойства жидких металлов

     Сходство жидкого и кристаллического состояния заключается, главным образом, в характере межчастичного взаимодействия и в термодинамических  свойствах, но существует принципиальное различие в строении жидких и твердых тел. Известная хаотичность в расположении частиц в жидкости и большая их подвижность, роднящие жидкость с газами, сочетаются с сильным межчастичным взаимодействием, как и в твердом теле. Этим  сочетанием обусловлен комплекс  свойств, характерный только для жидкого состояния вещества.

     Плотность

     По плотности металла судят о разрыхленности его структуры. Плотность — одна из основных физических характеристик расплава, непосредственно связанная с поверхностным натяжением, теплоемкостью, динамической вязкостью, теплотами растворения и др.

Жидкая фаза имеет лишь немного меньшую плотность, чем твердое вещество, но она на несколько порядков выше плотности газа. Самый легкий металл литий имеет плотность 0,53 г/см3, а самый тяжелый иридий плотностью 22,4  г/см3. Плотность железа 7,87 г/см 3 .

У большинства металлов при нагреве от комнатной температуры до температуры плавления плотность уменьшается на 3-5 %,  у железа она снижается до 7,35 г/см3.  В процессе плавления плотность большинства металлов снижается на несколько %, у железа – до 7,02 г/см 3.

  А плотность галлия, висмута, сурьмы, германия и кремния при плавлении увеличивается, как у воды, для которой это увеличение составляет около 11 %.

     При нагреве жидких металлов, как и в твердом состоянии, плотность уменьшается. С достаточной для практики точностью используется соотношение:       Подбором состава сплавов обеспечивают  заданную его плотность и коэффициент линейного расширения. Это важно, например, для армированных (выполненных из разнородных материалов) изделий, служащих при изменяющихся в широких пределах температурах Практическое значение изменения плотности металла до начала и в процессе кристаллизации состоит в том, что оно предопределяет объемную усадку (или рост), с которой связаны усадочные раковины, рыхлость, напряжения в наружных и внутренних участках слитков, заготовок и отливок (рисунок 3).      Рисунок 3 — Усадочная раковина в слитке

     Температура плавления

     Температура плавления –  это единственная температура,  при которой кристаллическая твердая фаза сосуществует в равновесии с жидкостью. Для чистого элемента  или чистого соединения эта величина постоянная и лишь незначительно зависит от давления.

     Обычно разливаемый металл перегревается выше температуры плавления на 100 и более градусов. Исходя из этой температуры, выбирается материал литейной формы и футеровки разливочных ковшей.

Из часто используемых металлов ртуть  имеет самую низкую температуру плавления –  минус 39 0С, а самая высокая она у вольфрама – 3410 0С. Чистое железо плавится при 1539 0 С, медь — при 10830 С, алюминий – при 6600 С.

Титановые сплавы 1580-17200С.

Сталь                                1420-15200С

Чугун                                1150-12500С Бронзы                              1000-11500С Латуни                               900- 9500С Алюминиевые сплавы         580- 6300С Магниевые сплавы              600- 6500С Цинковые сплавы               390- 4200С      Так как фазовые превращения сопровождаются тепловыми эффектами, объемными изменениям и фазовыми напряжениями, то их учитывают, задавая оптимальные режимы охлаждения слитков, заготовок и отливок, а также при рассмотрении процессов  структурообразования и ликвации.

     Вязкость

     Вязкость металлического расплава является наиболее характерным структурно-чувствительным свойством и определяется межчастичным взаимодействием. Поэтому этот показатель позволяет оценить строение расплава, природу и силы взаимодействия между компонентами в сплавах, а также связь между твердым и жидким состоянием.      Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости или внутреннего трения ?, называемый динамической вязкостью. Он численно равен силе трения между двумя слоями с площадью, равной единице при градиенте скорости, равной единице.      У металлов динамическая вязкость повышается с увеличением температуры их плавления. Для всех металлов она уменьшается с повышением температуры нагрева. У сплавов эвтектического состава обычно пониженные значения вязкости. Изменение вязкости от состава сплавов меняется неоднозначно, сложным образом и зависит от сил межчастичного взаимодействия. Загрязнение расплавов взвешенными частицами шлака или оксидов сопровождается заметным возрастанием вязкости.      Сравнительные данные вязкости (Па .  с):

Вода (25 0 С) – 0,00089;

Сталь (1600 0 С) – 0,0050 – 0,0085; Железо (1600 0 С) – 0,0045 – 0,0050.

     Поверхностное натяжение

     Поверхностное натяжение   численно равно количеству свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу поверхности раздела между рассматриваемым веществом и вакуумом. Поверхностное натяжение стали обуславливает смачиваемость и адгезию, влияет на характер струи и степень вторичного окисления металла во  время выпуска из плавильного агрегата и разливки. В период кристаллизации  поверхностные явления влияют на поверхностные и объемные концентрации компонентов, существенно изменяют структурообразование, кинетику капиллярного массопереноса, зарождения, коагуляции и всплывания неметаллических включений. Межфазное натяжение на границе металл-шлак в значительной степени определяет ассимиляцию неметаллических включений, образующихся при раскислении, обработке металла синтетическими шлаками и разливке под защитными средами.

     С увеличением температуры плавления металла поверхностное натяжение, как правило, увеличивается. Так, для ртути, железа и вольфрама оно соответственно равно, Н/ м: 0,45;  1,8  и 2,5.   Перегрев  жидкого металла на 100 0 С понижает поверхностное натяжение примерно на 2-4 % .

     Поверхностно активные добавки, которые в металле – основе растворяются в очень малых количествах и резко отличаются от основы по своим свойствам, существенно снижают поверхностное натяжение расплавов. Так, 0,1 % кислорода снижает  поверхностное натяжение железа до 1,1 Н / м, 0,1 % калия снижает поверхностное натяжение ртути в 2 раза.

     Литейные свойства

     Свойства, непосредственно влияющие на получение слитков и отливок требуемого качества, называются литейными. Они зависят от комплекса физико-химических свойств,  проявляющихся в образующихся фазах при охлаждении расплава, но полностью ими не определяются.

К литейным свойствам относят жидкотекучесть и заполняемость литейных форм, усадку и связанные с ней процессы образования различных дефектов, склонность к образованию дефектов на базе неметаллических и газовых включений, активность взаимодействия с окружающей средой и контактирующими материалами,  первичную и вторичную кристаллизацию, литейные напряжения и трещиноустойчивость, химическую и структурную неоднородность. Лучшим сочетанием литейных свойств обладают сплавы с большим количеством эвтектики. Литейные свойства чугуна значительно выше литейных свойств стали.

Плотность некоторых металлов в жидком состоянии (Аллюминий, висмут, золото, натрий, олово, свинец, серебро)

Свойства жидких металлов: плотность, теплопроводность, вязкость

Свойства жидких металлов

В таблице представлены теплофизические свойства жидких металлов в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до 800°С. Даны следующие свойства: плотность металлов, теплопроводность,  удельная (массовая) теплоемкость, температуропроводность, кинематическая вязкость, число Прандтля.

Свойства указаны для таких жидких металлов и сплавов, как ртуть Hg, олово Sn, висмут Bi, свинец Pb, сплав висмут-свинец Bi-Pb, литий Li, натрий Na, калий K, сплав натрий-калий Na-K. Для каждого металла и сплава также указана его температура плавления и кипения.

Плотность жидких металлов, представленных в таблице, значительно различается.

Металлом с минимальной плотностью является литий (литий — самый легкий металл среди существующих) — его плотность в жидком состоянии при температуре 200°С равна 515 кг/м3.

Наиболее тяжелый из рассмотренных жидких металлов — это ртуть. Плотность ртути при 0°С равна 13590 кг/м3. Следует отметить, что плотность жидких металлов уменьшается при нагревании.

Теплопроводность жидких металлов увеличивается при повышении их температуры (за исключением натрия и калия, теплопроводность которых имеет обратную зависимость).

Наиболее теплопроводный жидкий металл — это натрий. Теплопроводность жидкого натрия имеет величину 60…86 Вт/(м·град).

В целом, щелочные металлы (литий, натрий и калий) обладают высокой теплопроводностью по сравнению с другими жидкими металлами.

Кинематическая вязкость и число Прандтля жидких металлов уменьшаются при нагревании. Теплоемкость и температуропроводность этих металлов — растет. Однако, удельная теплоемкость таких жидких металлов, как свинец, олово, висмут и сплава свинец-висмут не зависит от температуры и является постоянной величиной.

Динамическая вязкость жидких металлов

Представлены значения динамической вязкости жидких металлов в зависимости от температуры в интервале от 300 до 1800 К. Динамическая вязкость жидких металлов дана в размерности Па·с·103.

Например, по данным таблицы, вязкость лития при 500 К равна 0,00053 Па·с.

Указана вязкость следующих металлов в жидком состоянии: литий, натрий, калий, рубидий, цезий, ртуть, висмут, свинец, олово, цинк, сурьма.

Следует отметить, что из рассмотренных металлов наиболее вязким в жидкой фазе является цинк — его коэффициент динамической вязкости составляет величину 0,0033 Па·с при температуре 700 К. Металлом, обладающим минимальной вязкостью при этой температуре, является щелочной металл калий с вязкостью 0,0002 Па·с.

Источники: 1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 2. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

ПОИСК

[c.89]

Перед заполнением стаканчик эвакуировался до вакуума —10-5 мм рт. ст.

, после чего в него подавался под небольшим избыточным давлением жидкий металл с температурой на 20—30° С выше температуры плавления.

Количество металла рассчитывалось по внутреннему объему стаканчика, определяемому методом гидростатического взвешивания и данными по плотности жидкого металла.
 [c.79]

Скорость всплывания частиц зависит от их размеров, от плотности жидкого металла и частиц и от вязкости металла. Основное влияние на скорость всплывания имеет радиус частицы, с увеличением которого ускоряется всплывание. Поэтому малые частицы, образующиеся в процессе раскисления, имеют очень малую скорость всплывания.
 [c.161]

При этом были использованы наиболее надежные, по нашему мнению, источники температура плавления рубидия была заимствована из [43], температура кипения — из [92], плотность жидкого металла в точке плавления — из [77].
 [c.151]

Важной характеристикой шлаков является также их плотность и газопроницаемость. При меньшей плотности (точнее при большей разности плотностей жидких металла и шлака) шлак легче удаляется из сварочной ванны, всплывая на поверхность.  [c.249]

У и и Уш — плотности жидких металлов и шлака  [c.325]

Ум и Уш — плотности жидкого металла и шлака, г/сл1 .
 [c.328]

Алюминий обладает высоким химическим сродством к кислороду. Это приводит к тому, что на поверхности свариваемых деталей всегда образуется пленка окиси алюминия. Эта тонкая и прочная пленка весьма тугоплавка. Она имеет температуру плавления около 2050° С, т. е. в 3 раза выше температуры плавления основных алюминиевых сплавов (570—650° С).

Плотность пленки почти в 1,5 раза больше плотности жидкого металла. Поэтому при сварке пленка может тонуть в жидком металле, образуя в нем включения, снижающие качество металла шва. Даже после удаления механическим или химическим способом пленка вновь образуется за десятые доли секунды. Наличие окисной пленки препятствует процессу сварки.

Обволакивание пленкой капель металла препятствует их сплавлению.
 [c.71]

Коррозионно-эрозионные повреждения твердых металлов повышаются при увеличении потока жидкого металла и его плотности.

Они не наблюдаются для сталей в жидком литии даже при высоких скоростях, возникают в жидких натрии и калии при скорости выше 8—10 м/с, а в жидких висмуте, свинце и ртути — при скорости выше 3 м/с. Указанные пределы скоростей превышать не рекомендуется.

Более подробно эти вопросы так же, как и эффекты влияния среды на металл, испытывающий действие напряжений, рассматриваются в ч. II применительно к коррозии металлов в жидких электролитах (см. с. 332).
 [c.147]

В экспериментальной установке для определения теплоотдачи жидких металлов по трубке диаметром d=l2 мм и длиной / = = 1 м течет висмут. Трубка обогревается электрическим нагревателем плотность теплового потока на стенке постоянна по длине трубки и равна 9с = 6-10 Бт/м1
 [c.102]

При сварке непрерывным оплавлением детали сближают при включенном сварочном токе и очень малом усилии.

Детали соприкасаются вначале по отдельным небольшим площадкам, через которые проходит ток высокой плотности, вызывающий оплавление деталей в результате непрерывного образования и разрушения контактов— перемычек между их торцами.

В результате оплавления на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе с загрязнениями и окисными пленками выдавливается из стыка. Соединение образуется в твердом состоянии.
 [c.108]

К) температурой катода Т , близкой к температуре кипения металла электродов, и их интенсивным испарением высокой плотностью тока в катодном пятне дуги (/ 10 A/мм ) блужданием и неустойчивостью катодного пятна на жидком металле электрода катодным падением напряжения U , соизмеримым с Ui паров металла (около 10…20 В) анодным падением напряжения мало зависящим от металла электродов (около
 [c.78]

Работа [93] не ставила целью точное измерение плотности жидкого металла. Главной ее задачей являлось освоить в эксперименте область температур и давлений вблизи критической точки цезия. Поэтому эксперименты по плотности жидкого цезия [93] страдают большой погрешностью с точки зрения отбора для рекомендаций по расчету плотности. Достаточно сказать, что расхождение опытных точек при одной и той же температуре достигает 4,5%. Садт авторы в своих рекомендациях, как уже отмечалось, практически отказались от собственных данных и принимают данные [59] и [95].
 [c.152]

Тж. м — Тш. ч — разность в плотности жидкого металла и шлаковой частицы, г/сл4 r — вязкость жидкого металла, дин сек/ см g — ускорение силы тяжести (981 см1сек ).
 [c.280]

Эта макроликвация более заметна, когда охлаждение медленное, затвердевающая масса велика и растворенное вещество заметно уменьшает плотность жидкого металла.
 [c.59]

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей.

В соответствии с законами распределения закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения) постоянного для данной температуры.

Поэтому большинство компонентов (Мп, Si, Р, S) и их соединения, растворимые в жндкovf металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.
 [c.29]

Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертных газах в смесь добавляют до 5% кислорода. По данным И. К. Походни и А. М.

Суптеля, при сварке на обратной полярности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли и с увеличением тока его плотность остается постоянной, а размер пятна растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах, чем на прямой полярности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается.

При увеличении плот-
 [c.88]

Точность измерений зависит от плотности контакта спая с металлом, обеспечивающей одинаковую температуру спая и металла. Спаи либо приваривают контактной сваркой к металлу, либо зачеканивают в небольшое отверстие 0 1,5…2,0 мм.

При быстром изменении температуры металла температура у спая может быть несколько иной, поэтому целесообразно применять тонкие проволоки. С помощью термопа р можно измерять температуру жидкого металла.
 [c.

204]

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов — пористость и наличие оксидных включений в металле шва, так как оксидь[ AI2O3 и MgO обладают большей плотностью, чем жидкий металл, и не растворяются в нем.
 [c.388]

Плотность стали различных типов и марок: температурная зависимость плотности

Представлены таблицы плотности стали различных типов и марок. В первой таблице указана плотность стали по типам и примеры некоторых марок стали для каждого типа. Дана плотность углеродистых, легированных и низколегированных сталей, штамповых, валковых, быстрорежущих, указана плотность нержавеющей стали и т.д.

Во второй таблице содержаться сводные данные по плотности распространенных марок стали (около 200 наименований) в зависимости от температуры. Следующие таблицы позволяют определить плотность углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей с особыми свойствами при температуре от 0 до 1100°С.

Плотность стали конструкционной легированной

Конструкционные легированные сплавы применяются в производстве высоконагруженных ответственных конструкций, в том числе работающих в агрессивных средах. Плотность марки 30ХГСА близка к стандартному значению в 7,85 т/м3 плотность стали конструкционной низколегированной для сварных конструкций

Низколегированные сплавы обладают прекрасной свариваемостью и высокой стойкостью к коррозии, поэтому их широко применяют для ответственных конструкций в строительстве и кораблестроении. УВ стали этой группы колеблется в пределах 7,85-7,87 т/м3 и приведен в таблице:

Плотность стали распространенных марок при различных температурах

В таблице представлены значения плотности стали распространенных марок в зависимости от температуры. Следует отметить, что плотность стали при изменении ее температуры меняется слабо. Плотность различных марок стали в размерности кг/м 3 приведена в таблице при температуре от 20 до 900°С.

  10 марта 2021 — Нанесение патины на кованые изделия

При нагревании стали она увеличивается в объеме, и ее плотность становится меньше. Например, плотность нержавеющей стали 12Х18Н9 при 20°С равна 7900 кг/м 3 или 7,9 г/см 3 , а при температуре 900°С плотность этой стали уменьшается и становиться равной 7510 кг/м 3 или 7,51 г/см 3 .

Из представленных в таблице сталей можно выделить наиболее легкую сталь с минимальной плотностью. Такой сталью является нержавеющая жаропрочная сталь15Х25Т (Х25Т, ЭИ439), плотность которой при комнатной температуре равна 7600 кг/м 3 или 7,6 г/см 3 . Наиболее тяжелой является инструментальная сталь Р18 с плотностью 8800 кг/м 3 (8,8 г/см 3 ) при комнатной температуре (20°С).

Средняя плотность конструкционной стали при комнатной температуре составляет величину 7700…7900 кг/м 3 . К примеру, плотность стали 20 имеет величину 7856 кг/м 3 при температуре 20°С. Значение плотности стали в общем случае довольно близко к плотности железа поскольку этот металл является основой этого сплава.

Плотность нержавеющей стали

Плотность вещества вычисляется путем деления массы объекта на его объем. Такие вычисления для всех известных человеку веществ уже сделаны, и метрологические службы периодически повторяют и уточняют эти измерения. На практике перед людьми встает другая практическая задача: зная материал, из которого изготовлено изделие, определить его массу.

Плотность вещества также называют удельной массой (или, в быту, удельным весом) — т. е. массой сплошного физического тела изготовленного из данного вещества и имеющего единичный объем.

Нержавеющая сталь

Следует отметить, что, используя термин «масса», в 99% случаев люди имеют дело с весом — силой притяжения физического тела к Земле.

Дело в том, что для определения массы тела в строгом физическом смысле требуется сложное оборудование, доступное лишь в крупнейших научных центрах.

Для практического применения в большинстве случаев достаточно обычных, более или менее точных весов, использующих гравитацию Земли и пружины, либо рычаги и стандартные гири, либо пьезоэлементы.

На практике, чтобы рассчитать вес погонного или квадратного метра металлопроката используют удельную массу, или плотность материала, из которого он изготовлен. В справочниках по сортаменту металлопроката среди основных характеристик каждого сорта обязательно указывается масса погонного или квадратного метра и значение плотности, использованное при вычислениях.

В большинстве случаев расчета по массе погонного или квадратного метра хватает для практических применений. Сырье и комплектующие закупаются с некоторым нормированным запасом, а перед отгрузкой потребителю изделие взвешивают на весах для точных взаиморасчетов между контрагентами.

Однако нужно понимать, что данные в справочнике рассчитываются на основании стандартной плотности стали, чаще всего это 7,85 т/м3. В то же время фактическая плотность стали конкретной марки зависит от состава и удельного количества присадок и может колебаться от 7,6 до 8,8 т/м3.

Это может дать погрешность до 10% в большую или в меньшую сторону для изделия, сделанного из очень легкого или, наоборот, очень тяжелого сплаваю. Для малого количества металла разница будет мала, и ею можно будет пренебречь. Однако для сложных изделий, использующих большие объемы металла, потребуются более точные расчеты.

Масса понадобится при формировании заявки на закупку металла. На основе плотности данного сплава делают корректировку справочных значений массы одного погонного или квадратного метра, и далее в расчетах используют уже уточненное значение.

Свойства жидкой стали

Жидкая сталь представляет собой сплав железа с различными элемента­ми-примесями. Сочетания этих при­месей многообразны, поэтому свой­ства жидкой стали изменяются в ши­роких пределах.

Если определять с вы­сокой точностью зависимость свойств жидкой стали от изменения темпера­туры или концентрации примесей, то немонотонное (скачкообразное) изме­нение свойств характерно для изменения структуры жидкости (разупоря-дочивания или, наоборот, ассоциа­ции атомов, возникновения микро­группировок, расслаивания и т. п.). Свойства жидкости, которые зависят от изменения ее структуры, называют структурно-чувствительными. К их числу прежде всего относят плот­ность, вязкость, поверхностное натя­жение, электрическую проводимость, теплопроводность, скорость распрос­транения звука и др. В металлургии стали наиболее часто используют данные о плотности, вязкости и по­верхностном натяжении.

Плотностьявляется одним из важ­нейших структурно-чувствительных свойств и определяется выражением

  Теоретический вес стального листа и предельные отклонения

уд , где V уд— удельный объем жидкого (или твердого) металла; V уд = Vат + V св, где Vат — сумма объема атомов или молекул, не изменяющая­ся при изменении температуры и дав­ления; V св — свободное пространство между атомами (молекулами), которое изменяется при изменении внешних условий. При изменении V св изменит­ся и плотность. Если это изменение имеет скачкообразный характер, то при данных условиях (температуре, концентрации примеси и др.) имеет место изменение строения (структу­ры) жидкой стали.

Таким образом, перегибы или пе­реломы, наблюдаемые на политермах (кривые изменения температуры рас­плава) или изотермах (кривые измене­ния состава расплава при данной тем­пературе) плотности, свидетельствуют об определенных изменениях строе­ния расплава. В большинстве исследо­ваний отмечен линейный (без переги­бов) характер изменения плотности жидких металлов от температуры, од­нако в некоторых исследованиях на политермах плотности обнаружены перегибы.

Существует зависимость между ти­пом кристаллической решетки метал­ла и изменением плотности при плав­лении. Металлы, обладающие плот­ными кристаллическими решетками, плавятся с увеличением объема, пони­жением плотности и координацион­ного числа. Металлы, имеющие «рых­лые» кристаллические решетки (тет­рагональные, ромбоэдрические и

т.д.), плавятся с увеличением плотно­сти и координационного числа и уменьшением удельного объема. К та­ким металлам относятся, например, висмут, сурьма и др. Железо имеет плотную решетку. Плотность железа при 1600 °С составляет ~7,0 г/см3; при дальнейшем повышении температуры она уменьшается.

Вязкость,так же как и плотность, является важнейшим физико-хими­ческим свойством жидкости. Вяз­кость (внутреннее трение) характе­ризует свойство текучих тел (жидко­стей и газов) оказывать сопротивле­ние необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении или других видах деформации. Основной закон вязкого течения был установлен Ньютоном:

S

где F— тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) одного относительно другого;

— коэффи­циент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или вязкостью, Па • с (то же, что и Н • с/м2). Ве­личину, обратную вязкости (1/п), называют текучестью; отношение (v2 — v1)/(z2 –z1) — градиент скорости течения (быстрота изме­нения от слоя к слою), или скорость сдвига; S—площадь слоя, по которому происходит сдвиг.

Наряду с динамической вязкостью для характеристики свойств жидкости часто используют величину v = /р (р — плотность жидкости), называе­мую кинематической вязкостью (м2/с или см2/с). Приборы, при помощи ко­торых определяют вязкость жидкостей (и газов), называют вискозиметрами, а раздел физики, посвященный измере­нию вязкости, — вискозиметрией (см. разд. 9.3).

Вязкость воды при 25 ºС равна 0,00089 Па-с, глицерина —0,5 Па • с. Вязкость при 1600 °С чистого железа, по разным данным, составляет 0,0045—0,0060 Па • с, вязкость стали в зависимости от ее состава — 0,005— 0,0085 Па • с, мартеновского шлака — 0,02-0,04 Па • с.

В жидкостях вязкость является результатом в первую очередь межмоле­кулярного взаимодействия, ограничи­вающего подвижность молекул. Моле­кула из одного слоя может проникнуть в соседний слой лишь при наличии в нем полости, достаточной для про­скальзывания туда молекулы. Образо­вание полости («рыхление» жидкости) связано с расходом энергии.

Эта так называемая энергия активации вязкого течения уменьшается с повышением температуры и понижением давления. В 1912г. русский физик Л. И.

Ба-чинский, исходя из предположения, что вязкостные свойства жидкости опреде­ляются силами межмолекулярного вза­имодействия, установил зависимость между коэффициентом динамической вязкости и удельным объемом V:

c/(V-b)

где с и Ь — постоянные.

Постоянная b близка к удельному объему твердого тела в момент плавле­ния V; соответственно разность V— b представляет так называемый свобод­ный объем жидкости. Чем больше этот свободный объем, тем меньше ее вяз­кость.

В формуле Бачинского влияние температуры на вязкость учитывается через удельный объем жидкости V, по­скольку он непосредственно зависит от температуры.

С повышением тем­пературы вязкость уменьшается, так как при этом происходит как бы раз­рыхление жидкости (на что затрачива­ется энергия).

С учетом разности объемов жидко­го и твердого металлов Vж-Vтв полу­чим = с/( Vж — Vтв). Разность Vж — Vтвхарактеризует степень разрыхления жидкости, или суммарный объем ва­кансий.

  Сталь 30 конструкционная углеродистая качественная

Я. И. Френкель при разработке ки­нетической теории жидкостей предло­жил использовать формулу, характе­ризующую связь между вязкостью и температурой:

• =Aexp(E /RT). ln =lnA+E /RT
• где Е — энергия активации вязкого течения, характеризующая энергию, необходимую для перехода частицы (или группы частиц) из од­ного положения равновесия в другое. В соответствии с этой формулой величина
• являет­ся функцией /Т, поэтому зависимость вяз­кости от температуры выражается обычно графически в координатах ln -I/Т.

В случае изменения структуры жидкого металла при температурах, соответствующих изменению строе­ния (структуры) жидкого металла, на графике данной функции наблюдается перелом.

При рассмотрении экспери­ментальных данных о вязкости стали необходимо помнить, что примеси, особенно неметаллические включе­ния, заметно увеличивают вязкость.

Влияние примесей в жидком железе проявляется в усилении межчастично­го взаимодействия и уменьшении под­вижности атомов железа, приводящих к повышению вязкости. Кроме приме­сей на вязкость стали заметно влияют и другие факторы (неметаллические включения, газы и т. д.).

Гистерезис вязкости.

Известны многочисленные эксперименты, в ходе которых был установлен гистере­зис вязкости жидкой стали, заключа­ющийся в несоответствии значений вязкости, полученных в режимах на­грева и охлаждения металла: вязкость расплава в режиме охлаждения после нагрева часто оказывается выше вяз­кости при первоначальном нагреве. Гистерезис особенно заметен для ле­гированных сталей. При объяснении этого явления иногда используют тер­мин «гетерогенность строения жидкой стали». При этом подразумевается обычно явление сохранения или со­здания медленно распадающихся группировок или решеток, отличаю­щихся наличием определенных свя­зей. Состав и размеры этих группиро­вок зависят от состава стали и техно­логии плавки. Предполагается, что для каждой стали существует опреде­ленная критическая температура, при достижении которой формируется квазигомогенное строение расплава, устраняющее гистерезис вязкости.

Между свойствами стали и ее вяз­костью в жидком состоянии существу­ет связь. Одновременно с получением квазигомогенного строения жидкости в результате устранения гистерезиса вязкости достигаются максимальные пластичность и ударная вязкость стали

в твердом состоянии; прочностные свойства стали при этом понижаются.

Цикл исследований свойств жид­кой стали выполнен уральскими уче­ными П. В. Гельдом, Б. А. Баумом и др.

Результаты этих исследований сви­детельствуют о том, что для большин­ства сталей и сплавов характерно раз­личие вязкости и удельного электри­ческого сопротивления при нагреве и охлаждении.

Исследователи этого вопроса предполагают, что гистерезис вязкости и электрического сопротив­ления объясняется изменениями в структуре расплавов.

Наиболее часто встречающиеся (по мнению этих ученых) три формы гис­терезиса вязкости приведены на рис 10.2. Случай, когда гистерезис по­является лишь при определенном пе­регреве над линией ликвидуса (tr-температура начала ветвления поли­терм или начала гистерезиса), отражен на рис. 10.2, а. При большем перегреве положение политерм не изменяется.

По мнению предложивших эту теорию Гельда и Баума, в этом случае, по-ви­димому, изменения неравновесной структуры и приближение расплава к состоянию равновесия, начиная с не­которой температуры, происходят мо­нотонно и завершаются при tr. На рис. 10.

2, б приведен случай, когда ги­стерезис наблюдается только при на­греве расплава до температур, превы­шающих температуру аномального уменьшения свойств /ан. При этой температуре происходит скачкообраз­ное изменение структуры расплава, что и вызывает аномальное повыше­ние вязкости и быстрый переход в равновесное состояние. Наконец, на рис. 10.

2, в иллюстрируется случай, когда гистерезис наблюдается только при нагреве до критической темпера­туры tкр, нагрев до которой при после­дующем охлаждении вызывает ветвле­ние политерм. По мнению Б. А. Баума и Г. В. Тягунова, один из возможных вариантов объяснения такой зависимо­сти состоит в следующем.

Расплав име­ет не менее двух структурных составля­ющих, например карбидоподобные комплексы и металлическую матрицу. При нагреве энергия теплового движе­ния частиц возрастает пропорциональ­но абсолютной температуре, устойчи­вость межатомных связей уменьшается немонотонно.

Однако эта немонотон­ность в ходе нагрева может не про­явиться на данном свойстве, если из­менения в отдельных структурных со­ставляющих взаимосвязаны и компен­сируют одно другое. Они полностью завершаются только вблизи tкр.

В ходе обратного понижения температуры ис­чезнувшая неравновесная структура не восстанавливается, но силы межатом­ного взаимодействия проявляются по-прежнему немонотонно. Так, в упомя­нутой модели атомы углерода снова становятся соседями атомов карбидо-образующих элементов. Это ухудшает условия их взаимного перемещения и обнаруживается в резком возрастании вязкости при tr.

Все изложенное является лишь од­ним из возможных объяснений на­блюдаемых факторов. В настоящее время нет убедительного толкования наблюдаемых явлений гистерезиса вязкости.

Не ясны и другие обнару­женные явления: например, во многих (но не во всех) случаях гистерезис на­блюдается лишь при первичном цикле нагрева и охлаждения; для некоторых легированных сталей (например, ша­рикоподшипниковых) переплав не из меняет гистерезис; для многих групп

Рис. 10.2.Формы гистерезиса вязкости 108

легированных сталей чем ниже плас­тичность твердых образцов, тем боль­ше гистерезис.

ВЛИЯНИЕ ИСХОДНЫХ