Вязкость металлов и сплавов - Структура и свойства металлических расплавов

Вязкость, или внутреннее трение, представляет собой внутреннее сопротивление, оказываемое взаимному перемещению смежных слоев жидкости, поэтому и определять ее можно только при движении расплава.

В то время как твердое тело обладает свойством оказывать сопротивление самой деформации, жидкость оказывает сопротивление увеличению скорости деформации. Это свойство жидкости называется вязкостью.

Различные тела по-разному ведут себя под действием приложенной нагрузки (рис. 1.2). Модель 1 характеризуется наличием линейной связи между касательным сдвиговым напряжением й и поперечным градиентом скорости, или, скоростью деформации (рис. 1.3). При этом смещение слоев происходит при любом малом приложенном сдвиговом усилии. Такая реологическая модель отвечает так называемой ньютоновской жидкости и описывается уравнением

Реологический коэффициент з принято называть динамической вязкостью жидкости. Кривая 2 (рис. 1.2) иллюстрирует поведение неньютоновской жидкости, где величина з зависит от скорости деформации. Зависимость 3 отвечает реологическому телу Бингама, течение которого начинается только тогда, когда нагрузка превзойдет статическое напряжение сдвига. В этом случае

Исследования по течению расплавленных металлов показывают, что при температурах выше ликвидуса жидкие сплавы по реологическому состоянию близки к вязким ньютоновским жидкостям. В интервале кристаллизации, где система становится гетерофазной, сплав отвечает уже более сложной реологической модели, более близкой к зависимости (2), причем величина Йо увеличивается с ростом количества твердой фазы в потоке вплоть до полной потери текучести. Величина, обратная вязкости, является мерой текучести, следовательно, чем меньше вязкость, тем больше текучесть. Вязкость З представляет собой отношение касательного напряжения й, действующего между слоями текущего вещества в направлении его движения, к величине градиента скорости DV/dx , перпендикулярного к потоку. Динамическая вязкость равна

Вспомогательной единицей измерения является Пуаз: П = 0,1 Па. с. Влияние внутреннего трения на скорость течения расплава лучше выражает кинематическая вязкость, учитывающая плотность расплава:

Вспомогательной единицей измерения является стокс: СТ 10?4 = м2/сек. Вязкость зависит от удельной теплоемкости металла, от скрытой теплоты плавления и теплопередачи от металла к форме. В значительной мере влияют включения, присутствующие в расплаве, при этом влияет как их количество, так и их температура плавления.

При понижении температуры расплава вязкость возрастает, и особенно сильно при температуре ниже температуры ликвидуса, когда сплав переходит в жидко-твердое состояние. Динамическая вязкость металлов в 2 - 7 раз превышает вязкость воды при комнатной температуре, а кинематическая вязкость во многих случаях меньше, чем у воды (табл. 1.3). Это позволяет рассматривать жидкие металлы как относительно маловязкие жидкости, обладающие в изотермических условиях хорошей текучестью ? = 1/з.

Динамическая вязкость падает при повышении температуры металла. Так, у ртути это падение составляет около 30 % при нагреве от 0 до 100О С. Вязкость алюминия уменьшается в 1,5 раза при нагреве от 700 до 800О С. Температурная зависимость динамической вязкости выражается экспоненциальным законом

Здесь A - постоянная величина; R - газовая постоянная; T - термодинамическая температура, К; Q - энергия активации вязкого течения, Дж/г.

С увеличением давления уменьшается среднее расстояние между частицами и усиливается взаимосвязь между ними. В связи с этим растет сопротивление сдвигу, а, следовательно, и вязкость.

Наибольшие колебания внешнего атмосферного давления, а также металлостатический напор в ковше или в форме не могут сколько-нибудь существенно изменить величину вязкости металла. Однако в машинах для литья под давлением удельные давления достигают 3000 - 4000 атм. При этом вязкость металла возрастает в десятки раз.

Известно, что в сплавах энергии взаимодействия одноименных и разноименных частиц могут отличаться. Это может приводить к возникновению различных фаз, а в крайних случаях - к образованию интерметаллических соединений или к несмешиваемости компонентов.

Жидкий бинарный сплав можно рассматривать как раствор из атомов А и В. Если обозначить силы связи между одноименными и разноименными атомами как FAA, FBB, и FAB, то возможны следующие случаи:

Соотношение (1.15) характеризует образование идеального раствора, силы связи между отношениями и разноименными атомами близки. Случай (1.16) указывает на наличие мощных сил связи между разноименными атомами, при смешении происходит выделение тепла. Соотношение (1.17) является признаком сопротивляемости компонентов смешению и обусловливает наличие химической неоднородности в расплаве. В случае (1.18) также будет химическая неоднородность, однако теплота смешения может быть и положительной и отрицательной.

На рис. 1.4 представлены основные типы диаграмм состояния бинарных сплавов, отвечающие соотношениям (1.15) - (1.17), в сопоставлении с характерными для них изотермами вязкости расплавов. Для бинарных систем с неограниченной растворимостью в жидком и твердом состоянии (1.18), (рис.1.4,а) атомы в расплаве находятся в статистическом распределении, и вязкость незначительно отклоняется от правила аддитивности.

В системах с интерметаллическими соединениями (1.16), (рис.1.4, б) действие сил притяжения между разноименными атомами вызывает увеличение вязкости расплава. На изотерме вязкости обычно имеется максимум, или изгиб (1.18), координата которого близка к концентрационной точке, отвечающей химическому соединению. Образование химического соединения сопровождается иногда настолько значительным изменением вязкости, что это позволило М. С. Курнакову выделить системы, где подобные явления имеют место, в особый класс систем с сингулярными точками. Таким образом, существует связь между изотермой вязкости сингулярной системы и кривой ликвидуса, где также имеется сингулярная точка, отвечающая химическому соединению.

Несколько сложнее ведут себя эвтектические сплавы (1.17), для которых, однако, в большинстве случаев наблюдается минимум вязкости, отвечающий эвтектической точке (рис. 1.4, в).

Таким образом, вязкость (при небольших перегревах ликвидусом) является структурно-чувствительным свойством, активно реагирующим на особенности строения жидкого сплава.

Жидкие металлы и сплавы всегда содержат большое количество взвешенных включений.

Количество, форма, состояние (жидкое или твердое) и распределение неметаллических включений влияют на вязкость сплава.

Когда в жидком металле образуются твердые включения, его вязкость существенно повышается.

Так, проведение раскисления металла в большинстве случаев приводит к образованию мелкодисперсных твердых продуктов (например, SiO2, Al2O3 в сталях). Введение азота для уменьшения зерна в ферритную высокохромистую сталь повышает ее вязкость вследствие образования тугоплавких нитридов хрома. В чугунах текучесть может понижаться за счет твердых включений MnS, а также графитовой спели. Алюминиевым сплавам свойственно ухудшение текучести ввиду образования Al2O3 и т. д.

Присутствие твердых взвешенных частиц увеличивает вязкость литейного сплава и усложняет заполнение литейных форм.

Сравнивая между собой значения кинематической вязкости различных металлов, можно видеть, что величина н связана с атомным объемом Vат: чем больше атомный объем металла, тем меньше его вязкость (рис.1.5). Эта зависимость приближенно характеризуется соотношением

Есть еще одна характеристика, проявляющая связь с величиной Н - это энтропия, отражающая степень упорядочения атомов в системе. Кинематическая вязкость металла тем больше, чем меньше его энтропия, т. е. чем слабее происходит разупрочнение структуры при нагреве (рис. 1.6). Таким образом, два параметра могут служить средством оценки вязкости металлов: а) атомный объем как геометрический фактор; б) стандартное значение энтропии как энергетический фактор.

Сравнение характера течения расплавов в форме можно осуществить только при достижении одинакового числа Рейнольдса в обеих системах:

где D является характеристическим размером (при течении через трубку это ее диаметр D); V - скорость потока.

Если число Рейнольдса имеет большое значение (например, для серого чугуна более 7000, для литой стали более 3500), то в данной системе (в дан - ном канале) течение становится турбулентным, и количество протекающей жидкости (расплава) понизится по сравнению с приведенным уравнением для ламинарного течения в трубке.

Так как при большой вязкости движение расплава замедляется, то вязкие расплавы для заполнения формы требуют более продолжительного времени. Во время заполнения формы снижается температура расплава, ухудшается его текучесть; очень вязкий расплав качественно не заполнит форму, что приведет к недоливу отливки.

Определение вязкости жидких металлов представляет большие трудности вследствие высокой температуры и большой реакционной способности металлических расплавов. Для измерения вязкости жидких металлов и сплавов имеют значение следующие методы: ротационный и вибрационный, затухающих крутильных колебаний и падающего шарика.

Простейшая схема ротационного метода представляет собой два основных цилиндра, внешний из них принудительно вращается. Вязкость определяется в зависимости от угловой скорости щ вращающегося внешнего цилиндра и крутящего момента MК , оцениваемого по углу поворота внутреннего цилиндра по уравнению

где MК - крутящий момент, Н/м; R1 , R2 - радиусы цилиндров, м;

L - длина погруженного цилиндра, м; Щ - угловая скорость, рад/с;

C - поправочный коэффициент, учитывающий концевой эффект ци - линдров (определяется опытным путем).

Можно также данный прибор проградуировать по материалу, вязкость которого известна (например, по касторовому маслу). При этом константу прибора K определяют из упрощенного уравнения

Обычно приборы построены так, что внешний цилиндр вращается с постоянной скоростью N = 0,5-50 об/мин и измеряется крутящий момент MК , обусловленный трением расплава о внутренний цилиндр.

Вибрационный метод основан на определении изменений параметров вынужденных колебаний плоского тела при погружении его в вязкую среду. Метод позволяет создавать приборы для непрерывного и автоматического измерения вязкости жидкостей при высоких температурах с погрешностью до долей процента.

Вязкость рассчитывают по уравнению

Где A - амплитуда колебаний; С - плотность жидкости, кг/м3; С1, С2- постоянные вискозиметра, определяемые по измерениям амплитуды колебания в жидкостях с известной вязкостью.

В практике измерения вязкости жидких металлов и шлаков наибольшее распространение получили электровибрационные вискозиметры.

Метод затухающих крутильных колебаний основан на регистрации затухания крутильных колебаний системы, сопряженной с исследуемой жидкостью. Относится к весьма чувствительным методам, позволяющим с достаточной точностью измерять вязкости расплавленных металлов.

Основной величиной, получаемой в ходе эксперимента, является логарифмический декремент затухания Д:

Где A0, AN - амплитуда первого и N-го колебаний; N - число колебаний.

Одно из возможных уравнений для расчета динамической вязкости по величине декремента затухания

где Д - логарифмический декремент затухания системы с металлом; Д0 - то же, но без металла;

K - постоянная прибора, определяемая по металлам с известной вязкостью; С - плотность металла, кг/м3.

Метод падающего шарика не нашел широкого применения при измерении вязкости металлургических расплавов из-за трудности практической его реализации и больших ошибок измерений.

Похожие статьи




Вязкость металлов и сплавов - Структура и свойства металлических расплавов

Предыдущая | Следующая