Современное представление о жидком состоянии сплавов

Расплавленные металлы и сплавы составляют группу металлических жидкостей. Межчастичные связи в них возникают преимущественно вследствие взаимодействия положительных ионов со свободными электронами. Жидкие чистые металлы отличаются относительно простым строением, а их композиции – сплавы в этом отношении исключительно сложны.

По своим свойствам и строению жидкости гораздо ближе стоят к твердым телам, чем к газам, особенно при температурах, близких к температуре кристаллизации. Такое заключение вытекает, в частности, из следующих экспериментальных факторов, впервые обобщенные Я.И. Френкелем и многократно подтвержденных и дополненных в последние время практикой.

З-н Френкеля гласит, что жидкий расплав подобен твердому при одинаковом химическом составе.

Из закона Френкеля вытекают три основных следствия.

Следствие №1. В расплаве при любых температурах остаются атомные группировки с сохранением в них свойств твердых металлов. Группировки имеют размеры от нескольких сот до нескольких десятков тысяч атомов. Чем выше температура, тем меньше группировок, и тем меньший размер они имеют. Кластеры в своем составе определяются шихтой

Следствие №2. При любой температуре находится субмикроны, более тугоплавкие частицы.

Следствие №3. Сплав при любых рабочих температурах обладает микрогетерогенностью химического состава.

Современный взгляд (по Г.Стюарту) отдельные группировки сохраняют упорядоченное расположение атомов, характерное для твердого металла, но не имеют постоянной формы, размеров, поверхности раздела. Причем в центре – более упорядоченное строение, а периферия постоянно обменивается атомами с неупорядоченной жидкостью. Эти группировки непрерывно возникают и разрушаются. Устойчивость и продолжительность «жизни» таких группировок по мере приближения температуры жидкости к точке кристаллизации будут повышаться. При определенной температуре они должны приобрести полную устойчивость, став центрами кристаллизации или присоединившись к ранее образовавшимся кристаллами.

Структура, состав и технологические параметры жидких сплавов определяют и основные их свойства: плотность, вязкость, смачиваемость, диффузионные и тепловые процессы. Состав, свойства и, следовательно, качество металлических расплавов зависят от режимов плавки.

В теории жидкого состояния, как и в теории твердого тела, под структурой понимают пространственное расположение атомов. Известно, что в кристалле имеется ближний и дальний порядок, а в жидкости – только ближний. Ближний порядок можно определить как упорядоченное расположение атомов, окружающий произвольно выбранный центральный атом на расстоянии порядка межатомного расстояния. Дальний порядок в структуре кристалла – правильное периодическое расположение атомов в узлах трехмерной решетки, образуемой повторяющимися элементами кристалла. Дальний порядок распространяется на расстояния, в десятки раз превышающие межатомное (для бесконечной идеальной решетки – на бесконечно большое расстояние). При плавлении дальний порядок исчезает, и изменяется строение и свойства металлов. А при температуре кипения нарушается ближний порядок, металл утрачивает свойства твердого тела. При плавлении металлов сохраняется высокое значение координационного числа. Следовательно, в жидком состоянии частично сохраняется расположение атомов, характерное для твердого состояния, при этом плотность металла уменьшается не более, чем на 3-6%. Уменьшение плотности и, как следствие увеличение удельного объема сплава, происходит из-за того, что с повышением температуры от комнатной до температуры плавления в расплаве количество и размер таких кластеров (группировок).

Дата добавления: 2014-01-03