Структура расплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Структура расплавов

24.06.2021

Жидкие тугоплавкие металлы относят к перспективным материалам для использования их в качестве одного из компонентов гетерогенных композиционных материалов. После кристаллизации расплавов такие гетерогенные материалы представляют собой одну из разновидностей конструкционных материалов. Однако на практике жидкофазные технологии получения композитов во многом определяются свойствами жидких металлов.

За последние годы получено большое количество теоретических и экспериментальных данных о свойствах и строении металлических расплавов. Особенно большое внимание уделено изучению физико-химических характеристик металлических расплавов и влиянию легирования, в том числе углеродом, на свойства металлических расплавов. Рассмотрены основы теории жидкого состояния, взаимосвязи структуры металлических расплавов и их свойств.

Жидкое состояние металлов является промежуточным между твердым и газообразным. При температурах, несколько превышающих температуру плавления металлов, расплавы этих металлов характеризуются компактным расположением атомов в жидкой фазе, что обусловлено значительными силами межатомного взаимодействия. Металлическим расплавам присуши такие характеристики, как упругость, текучесть, которые, с одной стороны, казалось бы, сближают жидкое состояние металлов с твердым, с другой стороны, позволяют рассматривать расплавы металлов как состояние, для которого характерны повышенная жидкотекучесть, уменьшение плотности металлов, а также изменение ряда других свойств. Эти изменения связывают с природой жидкого состояния, строением металлических расплавов. Для описания структуры металлических расплавов были предложены модели, среди которых наиболее интересны модели структуры жидкого состояния, рассмотренные в работе.

Д. Бернал предполагает, что металлические расплавы представляют собой неупорядоченные структуры, состоящие из отдельных группировок атомов, между которыми (группировками) отсутствуют пустоты достаточно больших размеров. Однако для некоторых из предложенных моделей принято, что строение металлических расплавов достаточно близко к твердому состоянию металлов. Обоснование такому соответствию впервые было дано Я.И. Френкелем, который высказал предположение о квазикристаллическом строении металлических расплавов на основе качественного описания теплового движения атомов в расплавах. По его данным, тепловое движение атомов может быть представлено нерегулярными их колебаниями относительно положения равновесия. Положение равновесия атомов в жидкой фазе может меняться с периодичностью т = т0ехр(-E/kT)(где т0 — период колебаний атома около равновесного положения, E — энергия активации процесса перехода атома из исходного положения в соседнее, k — постоянная Больцмана, T — температура). Усредненные значения величины т0 приближенно соответствуют 10в-11—10в-13 с. Следовательно, положения эти нельзя считать фиксированными, и со временем атомы меняют свои координаты. Структура жидких металлов по Я.И. Френкелю может быть представлена как сильно искаженная, неупорядоченная структура твердого тела, которая характеризуется определенным расположением атомов в объеме жидкой фазы. Одним из параметров, с помощью которого можно охарактеризовать жидкое состояние металлов, является функция радиального распределения (q). Функция qr определяет вероятность dWr обнаружения частиц (атомов) в сферическом слое толшиной dr на расстоянии r от некоторой фиксированной частицы, расположенной в том же объеме V, центр которой выбран за начало координат:

Используя радиальную функцию атомного распределения (qr), можно с достаточной степенью приближения показать характер расположения атомов в микрообъемах металлического расплава, если за центр такого распределения выбрать некоторый «центральный» атом, находящийся в том же рассматриваемом микрообъеме расплава.

Можно показать, что число ближайших от центрального атома соседей является определенным для ГЦК кристаллической структуры. Число атомов, расположенных на расстоянии r1mac от центрального атома, называют координационным числом, а расстояние r1max — первой координационной сферой. В рассматриваемой ГЦК решетке на расстоянии r2max, которое в V2 раз больше по сравнению с r1max, располагается шесть атомов второй координационной сферы. Возможное расположение атомов в первых восьми координационных сферах ГЦК структуры металлов с учетом отношения величины текущей координационной сферы rjmax к величине первой координационной сферы r1max представлено ниже:

Однако поскольку в металлических расплавах атомы не образуют строго периодической структуры, так как время «оседлой» жизни атомов невелико и связано соотношением

где E — энергия активации, необходимая для преодоления потенциального барьера, разделяющего два возможных равновесия. Если т0 = 10в11—10в13, то применительно к металлическим расплавам характер функции радиального распределения qr подтверждает, что определенную часть времени атомы в расплавах находятся в положениях, соответствующих r1max; r2max; ...; rjmax или вблизи этих расстояний. Сравнивая структуру жидких и твердых металлов, можно говорить о том, что функции распределения qr для жидких и твердых металлов в некоторой степени сходны и вместе с тем имеют определенные отличия. Общие закономерности — распределение атомов в жидких и твердых металлах в первой координационной сфере. Наиболее вероятное расположение атомов с параметрами r0, r1 свидетельствует о наличии ближнего порядка в металлических расплавах.

Однако, несмотря на определенную последовательность обоснования функции радиального распределения qr для металлических расплавов, рассматривать наличие первой, второй и других координационных сфер можно, лишь связывая этот параметр с определенной вероятностью обнаружения атома, расположенного на расстоянии r1 от центрального атома, расположенного в точке r0. Наличие ближнего порядка в расположении атомов в металлических расплавах служит в определенной степени доказательством квазикристаллического строения металлических расплавов.

Рассмотренные особенности функции радиального распределения связывают с интенсивным тепловым перемещением атомов в первой, второй и других координационных сферах. При больших значениях rjmax закономерностей в распределении атомов относительно r0 не наблюдается. Следовательно, понятие дальнего порядка применительно к металлическим расплавам не существует.

Радиальная функция атомного распределения может быть использована в статистической теории жидкостей. С помощью функции qr для одноатомных расплавов при условии, что учитывается только парное взаимодействие между атомами расплава, могут быть выражены равновесные свойства жидкостей, например уравнением состояния

где 0r — потенциал Леннарда — Джонса.

Используя параметр qr, можно также показать среднее значение энергии одного атома, находящегося в микрообъеме расплава:

где V — средний объем, занимаемый атомом; N — число атомов в микрообъеме расплава. Через функцию радиального распределения можно получить такие характеристики расплавов, как поверхностное натяжение, сжимаемость жидкой фазы и др.

При изучении структурного состояния металлических расплавов методами дифракционных исследований вместо qr может быть использована функция радиальной плотности 4пr2рr, значения которой сопоставляются с 4пr'р0, где рr — радиальная плотность, р0 — среднее число частиц (атомов) в единице объема.

Результаты таких исследований могут быть представлены в виде зависимостей 4пr2рr — r, которые позволяют провести анализ атомного распределения 4пr2pr с учетом значений радиусов первой, второй и последующих координационных сфер. Такой анализ проводится с учетом положения вершин соответствующих максимумов. Значения координационного числа определяют с учетом площади под максимумом. Практика показывает, что для расплавов всех металлов при температурах, близких к температуре плавления, ближний порядок в расположении атомов распространяется на три-четыре межатомных интервала.

Обобщая изложенный материал, можно отметить, что различные по структуре твердые металлы после плавления (в жидком состоянии) сходны по строению. Это сходство объясняется следующими положениями:

1) для всех металлических расплавов распределение атомной плотности (4пr2рr) имеет одинаковый характер;

2) величина отношения r1/r2 т.е. первой и второй координационных сфер, составляет 1,8-2,0;

3) величина первого координационного числа лежит в интервале 8—12;

4) средний радиус взаимодействия в расплавах равен приблизительно трем межатомным расстояниям, т.е. упорядоченность в расположении атомов в расплавах исчезает на расстоянии 100—120 нм.

Следовательно, металлические расплавы представляют собой конденсированные фазы с отличным от кристаллического состояния расположением атомов в объеме жидкого металла.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: