Изменение структуры металлических расплавов при перегреве и охлаждении

    Содержание 

Введение………………………………………………………………………………………………….3

1 Изменение структуры металлических расплавов при перегреве и охлаждении………………...4

2 Гистерезис вязкости в расплавах……………………………………………………………......5

3 Поверхностное  натяжение…………………………………………………………………….............8

4 Плотность……………………………………………………………………………………………..11

5 Электрическая проводимость………………………………………………………………………..12

Список использованной литературы………………………………………………………………….13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    Абсолютное  большинство сталей и сплавов, проходит при своем формировании через жидкую фазу. При этом нередко, возникают вопросы, связанные с, так называемой, «металлургической наследственностью».

    Металлургическая наследственность наиболее чётко проявляется в том случае, когда расплав подвергается минимальным физическим (перегреву, механическому перемешиванию, барботажу при продувке газами, обработке вакуумом) и химическим (окислению примесей газообразным кислородом, «чистому» кипению, значительному легированию и модифицированию) воздействиям. Поэтому чаще всего с проявлениями металлургической наследственности приходится сталкиваться в литейном производстве, а особенно ярко она проявляется при производстве аморфных металлов, когда перед закалкой расплава металл просто расплавляют.

    У хорошо подготовленного расплава должны отсутствовать всякие следы предыстории, он должен быть равновесным, т.е. в данных условиях максимально однородным. Присущая такому расплаву микронеоднородность определяется только лишь различиями в энергиях взаимодействия составляющих его частиц, иными словами, природой последних. Для научно-обоснованной подготовки равновесного расплава необходимо, прежде всего, установить температурный режим выплавки. Это делается на основе  изучения температурных зависимостей нескольких свойств жидкого сплава.

    Политермы свойств многокомпонентных расплавов резко отличаются от политерм чистых металлов. Они почти никогда не бывают монотонными, а тем более линейными. Для каждой марки сплава температурные зависимости свойств имеют собственный характерный вид с особенностями, вызванными составом, исходными материалами и спецификой производства.

    Основные  черты политерм свойств промышленных расплавов это ГИСТЕРЕЗИС (несовпадение ветвей нагрева и охлаждения) и ПЕРЕГИБЫ (скачки производной свойства по температуре). Наличие гистерезиса свидетельствует об исчезновении неравновесных неоднородностей, унаследованных от шихтовых материалов, и о необратимости этих процессов. Перегибы говорят о немонотонности, иногда скачкообразности процессов перехода системы к равновесию. Поэтому перевод расплава в равновесное состояние осуществляют, чаще всего нагревом до определенных температур, названных КРИТИЧЕСКИМИ. По их достижении энергия теплового движения частиц расплава становится соизмеримой с энергией разрыва наиболее прочных межатомных взаимодействий в неравновесных атомных ассоциациях. Тепловое движение разрушает их, расплав теряет свою наследственность. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Изменение структуры металлических расплавов при перегреве и охлаждении 

    Судить об изменении структуры металлических расплавов при их перегреве можно, как и вообще о структуре жидкостей, либо по результатам её прямого исследования дифракционными методами, либо по косвенным признакам, обнаруживаемым при анализе структурно-чувствительных характеристик расплава.

    Б.А. Баум с сотрудниками считают, что в интервале температуры 1650... 1680 °С расплавы железа претерпевают структурную перестройку от ОЦК-подобной к ГЦК-подобной, сопровождающуюся скачкообразным увеличением межчастичного расстояния.

    Однако достаточно размытая картина распределения атомов в расплавах и относительно небольшое количество выполненных дифракционных исследований структуры высокотемпературных расплавов позволяют другим авторам такие же результаты объяснять иначе.

    Например, в работах других отечественных исследователей также фиксируется перестройка структуры расплава железа при температуре порядка 1650 °С, однако не с увеличением, а с уменьшением межчастичного расстояния.

    Представляется, что данных дифракционных исследований структуры перегретых металлических расплавов пока ещё недостаточно для окончательных выводов о характере изменения в распределении частиц в расплаве при перегреве. Однако этих данных вполне достаточно для заключения о том, что и в перегретых расплавах сохраняется некая упорядоченность в ближнем расположении частиц и что эта упорядоченность с повышением температуры претерпевает определённые изменения.

    Более подробную информацию о строении расплавов и процессах структурной перестройки расплавов с повышением температуры можно получить при анализе результатов косвенных исследований. К настоящему времени накоплено большое количество таких данных в результате изучения так называемых структурно-чувствительных свойств расплавов. К этим свойствам относятся плотность, вязкость, поверхностное натяжение, электрическая проводимость (или обратная ей характеристика - электрическое сопротивление), теплопроводность, магнитная восприимчивость, излучательная способность, скорость распространения звуковых и ультразвуковых волн и другие. Исследование этих свойств обычно проводится с другими целями - для изучения термодинамики и кинетики металлургических процессов, проведения технологических расчётов и т.д. Для их изучения разработаны разнообразные и достаточно надёжные методики, накоплены обширные данные, полученные разными методами и в различных условиях. Совместный анализ результатов исследования физических и физико-химических свойств расплавов и результатов дифракционных исследований жидких металлов позволяет более уверенно судить о структуре расплавов.

    Попробуем проанализировать связь некоторых отмеченных физико-химических и физических свойств расплавов с их структурой. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Гистерезис вязкости в расплавах 

    Гистерезис (от греч . hysteresis - отставание), запаздывание изменения физической величины, характеризующей состояние вещества (намагниченности М ферромагнетика, поляризации P сегнетоэлектрика и т. п.), от изменения другой физической величины, определяющей внешние условия (напряженности магнитного H и электрического E полей). Гистерезис наблюдается в тех случаях, когда состояние тела определяется внешними условиями не только в данный момент времени, но и в предшествующие моменты.

    В сталеплавильном производстве металлический расплав подвергается значительным комплексным воздействиям - продувке кислородом, сильному перегреву, значительному легированию, продувке инертными газами, обработке активными добавками - раскислителями и модификаторами и т.п. Значительный вклад в формирование свойств готового металла вносят условия разливки и кристаллизации расплава. Поэтому выявить зависимость свойств готового металла от свойств использованной шихты практически не удается. Металлургическая наследственность в процессах производства стали чаще проявляется в характере изменения структурно-чувствительных свойств металлического расплава - вязкости, поверхностного натяжения и других от предыстории шихтовых материалов и условий обработки расплава.

    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.

    В стальных многокомпонентных расплавах при тщательном проведении измерений по одинаковой методике и в одних и тех же условиях удается обнаружить: 

1. Различие структурно-чувствительных свойств у образцов одинакового химического состава в зависимости от использованных исходных материалов и условий их сплавления.
2. Нестабильность во времени свойств и структуры ближнего порядка образцов жидких металлов. В течение изотермической выдержки расплавов одинакового химического состава их свойства изменяются и приближаются к одним и тем же значениям (стабилизируются). При небольших перегревах над температурой ликвидуса для стабилизации свойств иногда требуется очень большая выдержка. Перегрев или интенсивное перемешивание сокращают время, необходимое для стабилизации свойств.
3. Несовпадение (гистерезис) значений свойств, полученных в ходе нагрева и охлаждения.

    Различные значения свойств у образцов одинакового состава свидетельствуют о метастабильном состоянии расплава. Скорость перехода в состояние полного термодинамического равновесия может быть относительно мала, поскольку этот переход связан с перемещением частиц в достаточно плотно, хотя и нерегулярно упакованной жидкости. Поэтому в металлических расплавах, особенно многокомпонентных, процессы установления равновесия, вызванные изменением состава или температуры, могут протекать со скоростью, много меньшей скорости изменения внешних условий. Это ведет к возникновению и более или менее длительному существованию неравновесных состояний структуры и проявляется в нестабильности значений свойств.

    Наиболее наглядно неравновесное состояние многокомпонентных расплавов проявляется в наличии гистерезиса свойств, чаще всего обнаруживаемое при измерении вязкости. Распространенными формами гистерезиса являются три (рис.1.): 

                                                                                                                                                               Температура                            Температура                            Температура

                           а) б) в)

    Рис. 1. Формы гистерезиса вязкости 

1. Гистерезис появляется при перегреве расплава выше некоторой температуры над линией ликвидуса. С увеличением перегрева величина гистерезиса возрастает и достигает максимума при перегреве выше температуры (t_r). Дальнейший перегрев величину гистерезиса не увеличивает (рис. 1, а).
2. Гистерезис обнаруживается лишь при перегреве расплава выше температуры аномального изменения вязкости (t_ан), при которой происходит скачкообразное повышение вязкости (рис. 1, б). Скачкообразное повышение вязкости при нагреве свидетельствует о скачкообразном изменении структуры расплава, например распаде каких-то группировок.
3. Гистерезис проявляется в ветвлении политерм вязкости вследствие быстрого увеличения вязкости при охлаждении расплава, перегретого выше некоторой критической температуры (t_кр, рис. 1, в). Такое изменение вязкости свидетельствует о завершении каких-то структурных преобразований вблизи температуры (t_кр), а также об образовании новых структурных компонентов в процессе охлаждения при температуре начала гистерезиса.