СТРОЕНИЕ ЖИДКОЙ СТАЛИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Жидкое состояние вещества считается промежуточным между твердым и га­зообразным. И если идеальный газ ха­рактеризуется полным разупорядоче-нием строения, а идеальное твердое тело (кристалл) — полным упорядоче­нием в расположении частиц и неиз­менностью этого расположения в про­странстве и времени, то для жидкости такой идеальной модели пока нет. Из­вестный английский физик Дж. Бернал предложил классифицировать со­стояния материи следующим образом: кристаллы обладают регулярной и связанной структурой, жидкости — нерегулярной и связанной структурой, газы — нерегулярной и несвязанной структурой. Структура жидкости отли­чается от структуры кристалла и газа. Кроме того, каждая жидкость имеет ряд структур, которые могут свободно переходить одна в другую.

Расплавленные металлы обладают комплексом свойств, с одной сторо­ны, сходных со свойствами неметал­лических жидкостей, а с другой — со свойствами твердых металлов. Харак­терными отличительными признаками металлических жидкостей (расплавов) от всех остальных жидкостей являют­ся: высокие электрические и гальва­номагнитные свойства (электрическая проводимость, т. э. д. с., эффект Хол­ла, обусловленные наличием коллек­тивизированных валентных электро­нов), высокая плотность в размеще­нии частиц (ионов); при этом удель­ный объем металлической жидкости в точке плавления не превышает удель­ный объем кристалла более чем на 2— 6 %, т. е. при плавлении кристалла расстояния между составляющими его частицами изменяются незначи­тельно.

Железо является Зd-переходным металлом. Конфигурация внешних электронных оболочек в твердом же­лезе 3p⁶3d⁶4s². Радиус атома железа 0,128нм. Кристаллическое железо в зависимости от температуры и давле­ния может находиться в нескольких модификациях ( ).

При рассмотрении железа и его сплавов следует учитывать свойствен­ные сталеплавильным процессам не­большие перегревы металла относи­тельно температуры плавления. Если температура плавления стали в зави­симости от ее состава обычно колеб­лется в пределах от 1450 до 1535 °С, то температура жидкого стального расплава в сталеплавильном агрега­те составляет 1500—1650 °С. Напри­мер, температура плавления стали -1500 °С, а температура жидкого рас­плава в пени -1600 ºС, т. е. степень пе­регрева < 10 %. При таких малых пере­гревах жидкость (в данном случае жидкая сталь) по некоторым свой­ствам оказывается ближе к твердому телу, чем к газу. Это обстоятельство (неполная разупорядоченность при переходе стали в расплавленное состо­яние) необходимо учитывать при рас­смотрении проблем, связанных с тех­нологией плавки и качеством металла.

Используемые понятия и термины. В специальной литературе, освещающей проблемы строения жидких металлов, используют термины: статистическая теория жидкости, парный потенциал взаимодействия, функция радиального распределения атомов. Статистическая теория обосновывает взаимосвязь дей­ствующих на частицы сил и структу­ры. Частицы в жидких металлах — это катионы, окруженные электронным газом. Энергия взаимодействия двух частиц, находящихся одна от другой на расстоянии r, характеризуется величиной, называемой эффективным парным потенциалом взаимодействия и обозначаемой обычно (r). Вид функ­ции (г) может быть определен из со­ответствующих квантовомеханических расчетов. Однако такие расчеты слож­ны и не привели еще к решению по­ставленной задачи. По мере уменьше­ния расстояния между частицами воз­никают большие квантовомеханичес-кие силы отталкивания и функция (r). резко возрастает; по мере увеличения расстояния функция (r). уменьшает­ся. В жидких металлах, состоящих из положительных ионов, погруженных в электронный газ высокой плотности, на расстояниях, больших, чем диаметр иона, приходится учитывать не только притяжение ионов, но и эффект экра­нирования электронами положитель­ных ионов. Все это создает достаточно сложную картину взаимодействия.

Поскольку истинный вид парного потенциала взаимодействия опреде­лить достаточно сложно, в расчетах используют специальные модели. На рис. 10.1, а показан общий вид парно­го потенциала взаимодействия частиц (ионов) в жидких металлах, а на гра­фике б приведен пример использова­ния модели парного потенциала взаи­модействия. Согласно этой модели, названной моделью жидкости твердых сфер: 1) частицы не могут быть сбли­жены на расстояние, меньшее, чем а; 2) на некотором расстоянии r, равном эффективному диаметру частиц а (r=а), действуют большие силы от­талкивания и (r). = +∞; 3) на расстоя­нии г > а взаимодействие между части­цами отсутствует (частицы не отталки­ваются и не притягиваются) и (r) = 0.

В статистической теории жидкости используется также функция радиального распределения. Физический смысл этого понятия может быть объяснен следующим образом. Для одноатом­ной жидкости, не подвергаемой внеш­ним воздействиям и обладающей оди­наковыми во всех направлениях свой­ствами (изотропной), все положения любой ее частицы равновероятны. В такой жидкости распределение частиц относительно любой произвольно выбранной частицы сферически сим­метрично, а величина g, характеризу­ющая интенсивность взаимодействия частиц, определяется только расстоя­нием r между частицами. Функцию g(r) называют радиальной функцией атомного распределения (или просто функцией радиального распределения) и определяют экспериментально мето­дами рентгене-, электроне- и нейтро­нографии. Величина g(r) характеризу­ет изменение вероятности обнаруже­ния какой-либо частицы в сферичес­ком слое на расстоянии г от частицы, выбранной за начало координат (в об­ласти вблизи начала координат веро­ятность нахождения другой частицы равна нулю). На определенном рас­стоянии от начала координат (обычно равном нескольким диаметрам части­цы) все взаимные расположения час­тиц равновероятны, т. е. имеет место дальний порядок. Колебания значений функции g ₍r₎ вблизи начала координат свидетельствуют о наличии ближнего порядка. Если известны- потенциал межчастичного взаимодействия (r). и функция радиального распределения g(r), то можно рассчитать многие рав­новесные свойства жидкости.

Модели строения жидкого металла.В настоящее время существует боль­шое число модельных теорий строения жидкости.

Рис. 10.1.Схематический вид эффективных парных потенциалов взаимодействия

В 1924 г. советский ученый Я. И. Френкель один из первых, кто об­ратил внимание на то, что жидкие ме­таллы при температурах, близких к температуре плавления, по многим ха­рактеристикам незначительно отлича­ются от кристаллических тел. При этом свободный объем жидкости, равный избытку объема по сравнению с объе­мом соответствующего твердого тела при абсолютном нуле, представлен отдельными микрополостями, вакан­тными узлами или «дырками». Мо­дель получила название дырочная. В соответствии с этой моделью из-за наличия дырок степень порядка в расположении атомов в жидкости меньше, чем у кристалла. Наличием дырок объясняются большие теку­честь, сжимаемость, термическое расширение и коэффициенты диффу­зии у жидкости. Упорядоченное рас­положение атомов имеется только вблизи каждой частицы (ближний по­рядок). В рамках дырочной теории тепловое движение в жидкости имеет такой же характер, как и в твердых те­лах, т. е. сводится в основном к гармо­ническим колебаниям частиц около некоторого среднего положения. Че­рез какое-то (сколь угодно малое) время частица может занять новое по­ложение, перескочив на расстояние, близкое к межатомному.

В 1927 г. Стюарт и Морроу разра­ботали модель строения жидкости, ос­нованную на представлении о том, что при плавлении межмолекулярное вза­имодействие в определенной степени сохраняется (по крайней мере, вплоть до достижения определенной крити­ческой степени перегрева). При этом допускается, что упорядоченное раз­мещение частиц в жидкости не огра­ничивается непосредственно соседни­ми частицами, а простирается на большие объемы, комплексы или группы (так называемый дальний по­рядок взаимного расположения час­тиц). Эти группы вначале были назва­ны сиботаксисами'. Сиботаксисы не имеют резко очерченных границ; пре­имущественная ориентация молекул или атомов в сердцевине непрерывно сменяется беспорядочным расположе­нием частиц в разделяющем сиботак¹ Ковчег (греч.).сисы объеме; сиботаксисы непрерыв­но зарождаются и разрушаются.

¹ Ковчег (греч.).

В последние годы в технической литературе вместо термина «сиботак-сис» часто стали применять «кластер»² (используют также термины «микро­группировка», «группировка», «рой», «комплекс» и др.). Принято считать, что кластер (или сиботаксис, рой и т. п.) не может быть квалифицирован как представитель другой фазы; он не имеет физической границы раздела, при переходе через которую парамет­ры состояния и свойства изменялись бы скачкообразно, и в то же время он характеризует структуру самой жидко­сти. Теория жидкого состояния до сих пор находится в стадии разработки, так как не ясны вопросы, связанные с определением продолжительности жизни кластеров, частотой их зарож­дения и распада, с определением соот­ношения объемов, занимаемых клас­терами и разупорядоченной зоной, с определением степени перегрева, тем­пературы, при которой наступает пол­ное разупорядочение расплава. По не­которым данным, полное разупорядо­чение наступает при очень высоких перегревах (800-900 °С) над линией ликвидуса.

Имеются и другие модели жидко­стей. Следует отметить вклад в иссле­дование- жидкого состояния стали ряда российских ученых: В. И. Дани­лова, Я. И. Френкеля, Н. А. Вато-лина, В. И. Явойского, П. В. Гельда, С. И. Попеля, Б. А. Баума, А. М. Сама­рина, А. А. Вертмана, П. П. Арсентьева, В. А. Григоряна, Г. Н. Еланского и др.