СВОЙСТВА ЖИДКОЙ СТАЛИ. Плотность стали жидкой


    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 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.

    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

    Похожие статьи:

    poznayka.org

    Некоторые свойства жидкого железа и его сплавов. Плотность и вязкость стали. Поверхностное натяжение стали. Диффузия примесей в жидком и твердом железе

    1 Некоторые свойства жидкого железа

    и его сплавов

    Температура плавления чистого железа составляет 1539 оС, радиус его атома равен 0,126 н.м. При высоких температурах твердое железо существует в модификациях и . Кристаллическая решетка  – пространственно центрированный куб (координационное число 8). Кристаллическая решетка  – куб с центрированными гранями (координационное число 12). Из избыточных примесей фосфор и углерод наиболее сильно влияют на температуру плавления сплавов на основе железа. Обычно в сталях фосфора содержится мало и его влияние несущественно.

    Затвердевание стали сопровождается уменьшением ее удельного объема, которое в общем случае зависит от состава металла (в основном, от содержания углерода).

    1.1 Плотность железа и его сплавов

    Плотность является одним из важнейших структурно-чувствительных свойств. Плотность () является обратной величиной удельного объема (). Удельный объем твердого или жидкого металла можно представить суммой объема атомов (молекул) , который не изменяется в зависимости от температуры и давления, и свободного объема пространств между атомами , который 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. По мнению А.А. Вертмана и A.M. Самарина изменение  плотности при нагреве определяется увеличением числа «дырок» в жидкости.

    Плотность чистого жидкого железа () зависит от температуры () и ее значение с достаточной степенью точности можно определить из выражения:

    Добавка различных примесей, имеющих различные физические свойства, в разной степени влияет на плотность стали.

    Е.А. Казачковым с сотрудниками [1] получена следующая эмпирическая зависимость, распространяющаяся на большинство промышленных марок стали:

    , где величины в квадратных скобках представляют концентрации соответствующих химических элементов в стали.

    Следует отметить, что в некоторых сталях имеют место скачки или переломы на политермах структурно-чувствительных свойств. Объясняются они изменением структуры металла при определенных температурах, например, при температурах превращения  в . Для многих сталей аномалии плотности (отклонения от линейности) фиксируются также в жидком переохлажденном состоянии при температуре ~1420 °С.

    1.2 Вязкость стали

    При сдвиге слоев жидкости относительно друг друга возникает сила трения (она называется силой внутреннего трения или вязкой силой), препятствующая сдвигу, стремящаяся выровнять скорость движения в разных точках.

    Вязкость является важнейшим физико-химическим свойством жидкости. От вязкости стали зависит скорость истечения ее струи из канала сталеразливочного стакана (коэффициенты скорости и расхода). Вязкость влияет на образование ряда дефектов непрерывно-литой заготовки: усадочной рыхлости, плен, неметаллических включений и др.

    Для характеристики вязкости принят коэффициент динамической вязкости , численно равный силе внутреннего трения между двумя параллельными слоями несжимаемой жидкости площадью , равной единице, перемещающимися относительно друг друга при градиенте скорости , равном единице:

    .

    Кроме динамической используется кинематическая вязкость , которая равна отношению коэффициента динамической вязкости к плотности: . Динамическую вязкость измеряют в (Пз), а кинематическую – в .

    Вязкость стали зависит от ее химического состава и при 1600 оС изменяется в пределах 0,004 – 0,006 .

    По мнению Я.И. Френкеля, вязкое течение жидкости заключается в переходе частиц из одного положения равновесия в другое с преодолением энергетического барьера, равного энергии активации вязкого течения . Энергию активации перехода можно рассматривать как энергию «разрыхления» или «дырообразования» жидкости. Энергия разрыхления для жидкости значительно меньше, чем для кристаллов, и по величине приближается к энергии плавления. Для жидких металлов значительно меньше скрытой теплоты испарения

    vunivere.ru

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

       ..  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ..

     

     

     

     

    10.2.

    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.

    Плотность является одним из важ­нейших структурно-чувствительных свойств и определяется выражением 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 С 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 - Vтв характеризует степень разрыхления жидкости, или суммарный объем ва­кансий.

    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.).

     

     

     

     

     

       ..  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ..

     

     

     

     

    sinref.ru