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 = V_ат + V _св, где V_ат — 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 V_ж- V_тв полу­чим = с/( V_ж - V_тв). Разность V_ж - V_твхарактеризует 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 (t_r- 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 t_r. 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 t _кр, 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 t _кр. 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 t_r.

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