2 Свойства металлических расплавов

2.1 Плотность

Плотность ρ (кг/м³ или г/см³) является обратной величиной удельного объемаV_уд. Удельный объем твердого или жидкого металла можно представить состоящим из объема собственно атомовV_ат который не изменяется при изменении температуры и давления, и свободного объемаV_св, заполняющего промежутки между атомами. Последний не остается постоянным при изменении внешних условий. Поэтому любое изменение – плавное или скачкообразное – межатомных расстояний, числа ближайших соседей или геометрии размещения атомов относительно фиксированного приводит к соответствующему изменению свободного объема и, следовательно плотности. Можно считать, что плотность является интегральной характеристикой, наиболее тесно связанной со структурой жидкости.

Было отмечено, что между типом кристаллической решетки металла и изменением плотности при плавлении существует определенная зависимость. Металлы, обладающие плотными кристаллическими решетками (о.ц.к., г.ц.к., г.п. – Fe, Ni,Na, Al и др.), плавятся с увеличением объема, понижением плотности и координационного числа. Металлы, имеющие рыхлые кристаллические решетки (ромбоэдрические, тетрагональные и т.п. –Ge,Ga,Sb,Biи др.), плавятся с увеличением плотности и координационного числа и уменьшением удельного объема.

2.2 Вязкость

Одним из основных физических свойств жидкости, в том числе и расплавленных металлов, является их вязкость, или текучесть. Свойство вязкости тесно связано со структурой жидкости и определяется межчастичным взаимодействием. Вязкость является одной из наиболее структурно-чувствительных характеристик жидкости.

Для характеристики вязкости принят коэффициент динамической вязкости η, называемый также динамической вязкостью. Значение этого коэффициента, зависящего от природы вещества, можно определить из закономерностей изменения силы внутреннего трения F, возникающей между двумя слоями несжимаемой жидкости, перемещающихся с различной скоростью относительно друг друга:

,

Где S– площадь соприкосновения слоев, м²;dv/dx– градиент скорости слоев жидкости перпендикулярно направлению потока, с^-1. ПриS=1 м² иdv/dx=1с^-1коэффициент динамической вязкости равен силе трения. Единицы измерения коэффициента динамической вязкости в системе СИ – Па.

Вязкое течение заключается в переходе частиц из одного положения равновесия в другое с преодолением энергетического барьера, равного энергии активации, которая определяется силами межчастичного взаимодействия. Вязкость расплавленных металлов, в значительной степени будет зависеть от изменения сил межчастичного взаимодействия при нагревании расплава или под влиянием другого элемента.

3. Поверхностное (межфазное) натяжение

Поверхностное натяжение возникает в слое жидкости на границе раздела с газом или собственным паром. Поверхностное натяжение можно рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объемах фаз. Поверхностное натяжение на границе двух конденсированных фаз обычно называют межфазным натяжением.

Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела двух фаз (тел), определяемая работой обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межатомного сцепления (когезии) при переходе частиц вещества из объема тела в поверхностный слой. равнодействующая межмолекурярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объеме тала) и направлена внутрь той фазы, в которой силы сцепления больше. Поверхностное натяжение – мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое, или избытка свободной энергии в объемах фаз. Для жидкостей поверхностное натяжение – величина, тождественно равная свободной поверхностной энергии. Единицы измерения поверхностного натяжения в СИ – Дж/м²или Н/м.

Поверхностные силы играют в металлургических процессах огромную роль. Они определяют условия зарождения новых фаз в металлической жидкости., ассимиляцию (усвоение) неметаллических включений шлаковыми расплавами, пропитку и взаимодействие жидких металла и шлака с огнеупорной кладкой сталеплавильного агрегата и многое другое.

Поверхностное натяжение является структурно-чувствительной характеристикой. Любые изменения сил межчастичного взаимодействия, характера размещения частиц (межатомных расстояний и координационного числа) отражаются на величине σ. Также поверхностное натяжение существенно зависит от строения и свойств границ раздела. Присутствующие в расплаве поверхностноактивные примеси вытесняются в поверхностный слой, изменяют его строение и свойства и понижают поверхностное натяжение. Изменениеσможет происходить уже при концентрации примеси в объеме около 10^-7 - 10^-8% по массе.