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
-
Температура плавления и плотность металлов и сплавов - Структура и свойства металлических расплавов
От температуры плавления металла зависит способ его плавки, материал футеровки плавильной печи или тигля и линейной формы. Температура плавления и...
-
Введение - Структура и свойства металлических расплавов
Расплавленные металлы и сплавы составляют группу металлических жидкостей. Межчастичные связи в них возникают преимущественно вследствие взаимодействия...
-
Теория жидкого состояния расплавов - Структура и свойства металлических расплавов
В теории жидкого состояния, как и в теории твердого тела, под структурой понимают пространственное расположение атомов. Известно, что в кристалле имеется...
-
Металлические стекла - Металлы и сплавы в химии и технике
В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
Получение литиевых сплавов электролизом представляет боль-шой практический интерес: легко осуществляется легирование алюминия, меди, свинца и других...
-
Космические и земные профессии запоминающих сплавов - Металлы и сплавы в химии и технике
Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед...
-
Диффузия в металлах - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Диффузией называется процесс перемещения частиц вещества в направлении меньшей его концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава...
-
Материалы с гигантской магнитострикцией - Металлы и сплавы в химии и технике
Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2--3 порядка большие, чем магнитострикции в...
-
Металлы и сплавы в химии и технике - Металлы и сплавы в химии и технике
Химические элементы - это элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известных химических элементов...
-
Алюминий - основной представитель металлов главной подгруппы III группы Периодической системы. Свойства его аналогов - галлия, индия и таллия -...
-
Сплавы. Применение алюминия и его соединений - Алюминий и его свойства
5 .1 Сплавы алюминия Алюминий всех марок содержит более 99% чистого алюминия. В зависимости от химического состава он подразделяется на алюминий особой,...
-
Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах
Низкие температуры Низкие температуры, криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие...
-
ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТА И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ, ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. - Галлий
Не стоит брать этот элемент в руки - тепла человеческого тела достаточно, чтобы этот серебристый мягкий (его можно резать ножом) металл превратился в...
-
Алюминий и алюминиевые сплавы - Цветные металлы
Производство алюминия и его свойства Алюминий -- это легкий и пластичный белый металл, матово-серебристый благодаря тонкой оксидной пленке, которая сразу...
-
Применение H2O2 связано с его окислительными свойствами и безвредностью продукта его восстановления (H2O). Его использую для отбеливания тканей и мехов,...
-
Применение алюминия и его сплавов - Алюминий и его свойства
В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов -...
-
Пайка меди и ее сплавов - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Технически чистая медь имеет высокие теплопроводность и электропроводность, и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устойчива к атмосферной...
-
Положение металлов в ПС. Физические свойства металлов. Методы получения металлов - Основы химии
Металлы располагаются в основном в левой и нижней части ПС К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления),...
-
Физические и химические свойства - Магний и его сплавы. Резиновые материалы. Быстрорежущая сталь
Магний - серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. На воздухе он покрывается тонкой...
-
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ - Нефть и ее свойства
Главнейшим свойством нефти, принесшим им мировую славу исключительных энергоносителей, является их способность выделять при сгорании значительное...
-
Получение., Применение. - Свойства фтора как химического элемента
Источником для производства фтора служит фтористый водород, получающийся в основном либо при действии серной кислоты H2SO4 на флюорит CaF2, либо при...
-
Введение - Свойства веществ при низких температурах
Проблемой изучения свойств веществ при низких температурах занимались многие ученые. Для этого требовались сжиженные газы. Определенных успехов в...
-
СВОЙСТВА., ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. - Галлий
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Галлий - относительно мягкий, ковкий металл, блестящего серебристого цвета с голубовато-серыми штрихами. Он плавится при 29,78 С...
-
Применение кобальта и его комплексных соединений - Свойства кобальта и его комплексных соединений
Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства...
-
Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами...
-
А) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих...
-
Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавеющие легированные...
-
Порфиразины с аннелированными шестичленными N - гетероциклами - пиридиновыми и пиразиновыми кольцами, среди которых первыми были синтезированы...
-
На воздухе галлий устойчив при обычной температуре, так как покрывается, подобно алюминию, прочной оксидной пленкой. Выше 260 C в сухом кислороде...
-
Измерение низких температур - Свойства веществ при низких температурах
Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит Газовый термометр . Др. вариантами первичного...
-
ВВЕДЕНИЕ, СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ И СВОЙСТВА ВОДЫ - Химические свойства и строение воды
Вода - ценнейший природный ресурс. Вода играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в...
-
Методы выделения - Свойства флавоноидов
Для флавоноидов, как и для других веществ, не существует способа выделения, универсального для всех растительных материалов. В каждом конкретном случае...
-
КОЛЛОИДНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД И ИХ УДАЛЕНИЕ - Химические свойства и строение воды
Очистка сточных вод -- лишь одно из направлений защиты гидросферы, прежде всего, поверхностных вод от антропогенных загрязнений. Главный путь защиты...
-
Физические свойства., Химические свойства. - Третья группа периодической системы
Алюминий в свободном виде -- серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло - и электропроводностью. Алюминий имеет невысокую плотность -- примерно...
-
Взаимодействие с галогенами При обычных условиях кремний довольно инертен, что объясняется прочностью его кристаллической решетки, непосредственно...
-
Физические свойства Очень чистый Na2O2 бесцветен, обычно полученный продукт чуть желтоватого цвета. Tпл = 6750 c (разлагается). Гексагональная...
-
Сплавы Никель является основой большинства суперсплавов -- жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых...
-
Реагирует с неметаллами: 4Al + 3O2 > 2Al2O3 ; 2Al + 3Br2 > 2AlBr3 c оксидами металлов:2Al + Fe2O3 > Al2O3 + 2Fe (алюмотермия)c водой (если...
-
Классификация электротехнических материалов Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и...
Вязкость металлов и сплавов - Структура и свойства металлических расплавов