Вязкость металлических расплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Вязкость металлических расплавов

24.06.2021

Температурная зависимость вязкости. Изучение вязкости металлических расплавов показало определенную закономерность в соотношении между вязкостью металлов при температуре, несколько превышающей температуру плавления, и их атомным объемом, а также стандартными значениями энтропии этих металлов. По-видимому, можно сделать вывод о том, что на изменение кинематической вязкости металлических расплавов оказывает влияние как геометрический фактор, которым в данном случае является атомный объем, так и энергетическое состояние расплавов, т.е. стандартное значение энтропии.

Вязкость расплавов можно считать структурно-чувствительной характеристикой металлических расплавов.

При изучении температурной зависимости вязкости металлических расплавов, в том числе и расплавов тугоплавких металлов, исходят из модели, согласно которой относительное смещение слоя, условно выделенного из объема жидкой фазы, по отношению к другому происходит в результате колебаний атомов в направлении, перпендикулярном движению слоев жидкой фазы. На основании этого анализа предложен механизм, в соответствии с которым скорость движения расплава в направлении, перпендикулярном оси X, в разных точках объема неодинакова. Скорость движения слоев жидкости зависит от х (где х — текущая координата), т.е. v = f(x). Изменение скорости v на единицу длины вдоль оси X, ориентированной перпендикулярно направлению движения потока, определяется выражением

При наличии компоненты (составляющей) направленного движения атомов металлического расплава в направлении, перпендикулярном X, скорость движения атомов в этом направлении будет увеличиваться справа от краевой плоскости S по сравнению с v на Л(dv/dх). Скорость движения слоев жидкого металла будет уменьшаться слева от плоскости S по сравнению с v на Л(dv/dx). Если принять площадь краевой плоскости равной h, то сила F, действующая между плоскостями, скорости движения жидкой фазы в которых различны, в соответствии с законом Ньютона прямо пропорциональна Л(dv/dx) и h:

где n — коэффициент динамической вязкости, n = F/(h — dv/dx), Па*с.

Иногда коэффициент вязкости называют внутренним трением жидкости В отличие от динамической вязкости кинематическая вязкость v описывается уравнением v = (n/р), где P — плотность жидкости.

Динамическая вязкость может быть представлена уравнениями:

где А — постоянная, равная 5,7*10в-4; M — атомная масса металла; Tпл — температура плавления, К; V — атомный объем металла; A1 — постоянная; En — энергия активации вязкого течения; R — газовая постоянная.

Зависимости (6.30) и (6.31) описывают влияние различных факторов на изменение динамической вязкости расплавов и базируются на предположении о том, что частота колебания атомов в металлическом расплаве при температурах, близких к температуре плавления, равна максимальной частоте колебаний атомов в твердом теле. Экспериментально показано, что зависимость lgn = f(T-1) прямолинейна в некоторой узкой области температур. Для бинарных систем с учетом формулы Стокса

где k — постоянная Больцмана; P — коэффициент подвижности атома и расплаве; r — радиус атома; n, n1, n2 — коэффициенты вязкости сплава и чистых компонентов 1 и 2; AH — теплота смешения расплава заданною состава.

Уравнение (6.33) позволяет качественно объяснить отклонение от правила аддитивности при рассмотрении влияния состава расплавов на их вязкость. Однако экспериментального подтверждения уравнение (6.33) не находит.

Выше было отмечено, что вязкость расплавов n - структурно-чувствительная характеристика, которая может зависеть от числа и энергии связей между атомами в расплаве, имеющими одинаковые размеры (изомегатические растворы):

где Pij — число связей; eij — энергия связи двух одноименных (i = j) или разноименных (i =/= j) атомов.

Для бинарных расплавов

где n1, n2 — число атомов первого и второго компонентов; z1, z2 — координационное число для первого и второго атома; 0,5z1n1e11 — энтальпия n атомов в чистом металле 2; P12 [e12 — 0,5(е11 + е12)] — теплота смешения некоторого количества расплава.

Полагая, что энергии связи между атомами n1 и n2 равны, можно допустить, что их влияние на вязкость бинарных расплавов будет одинаковым. Тогда для расплавов, близких к идеальным, коэффициент динамической вязкости сплавов может быть представлен уравнением

где N1, N2 — атомные доли компонентов расплава.

Зависимость (6.36) была подтверждена экспериментально для систем Au—Cu.

Что касается аналитического описания зависимости вязкости металлических расплавов, содержащих переменное количество атомов углерода, то для широкого перечня металлов уравнения обобщающего характера не предложено.

Зависимости вязкости от содержания в расплаве добавки основного компонента имеют линейный характер. Отклонения от линейного характера рассматриваемой зависимости могут возникнуть при условии e12 =/= e11 =/= e12 в уравнении (6.35). В этом случае для использования уравнения (6.36) необходимо учитывать поправку An, зависящую от AH. При этом изменение динамической вязкости расплавов с учетом поправки запишется в виде

Для изомегатических расплавов, близких к регулярным,

где k, h — постоянные Больцмана и Планка соответственно; NA — число Авогадро; (Vж)оп — молекулярный объем сплава в жидком состоянии при температуре опыта; (Vт)пл — молярный объем твердого сплава при температуре плавления.

Формула (6.38) учитывает возможности отклонения вязкости от аддитивности при изменении теплоты смешения изомегатического расплава, близкого к регулярному. Используя уравнение (6.38) в (6.37) при известных значениях вязкости чистых компонентов, можно рассчитать изменение вязкости расплавов, содержащих различные количества легирующих элементов (добавок второго компонента).

При небольших добавках второго компонента (N2) к основному металлy (растворителю) зависимость вязкости An от N2 будет

Из уравнения (6.39) следует, что при малых концентрациях второго компонента зависимость An = f(N2) имеет линейный характер.

В ряде систем алюминий — титан, алюминий — железо и других, для которых наблюдается возможность образования комплексов между металлом-растворителем и растворяемыми атомами второго компонента, вязкость расплавов может подчиняться уравнению Эйнштейна, предложенному для коллоидных смесей. При небольших количествах растворенных атомов второго компонента изменение вязкости расплава (л) может описываться зависимостью

где n0 — вязкость чистого растворителя; V/ Vp — отношение суммарного объема первых координационных сфер растворенных атомов ко всему объему расплава.

Возможность использования формулы (6.40) применительно к металлическим расплавам основана на предположении о том, что при сильном взаимодействии между атомами основного расплава и растворенными атомами подвижность атомов основного компонента в пределах первой-второй координационной сферы ограничена по сравнению с их подвижностью в объеме расплава. В объеме такого расплава, кроме атомов основного компонента, могут присутствовать также комплексы, образованные растворенными атомами и их ближайшими соседями. При условии, что комплексы имеют сферическую форму и концентрация атомов добавки невелика, вязкость расплавов рассматриваемых бинарных систем будет представлена уравнением

где R — эффективный радиус силового поля комплекса (радиус комплекса), за величину которого можно принять радиус первой координатной сферы чистого растворителя; N2 — атомная доля растворенного компонента; NA — число Авогадро; Vоп — атомный объем расплава при температуре опыта.

Из рассмотренных материалов следует, что коэффициент вязкости (количественная характеристика переноса количества движения в жидкости) связан определенным образом с коэффициентом диффузии.

Методы определения вязкости. Для изучения вязкости металлических расплавов могут быть применены различные методики, сущность которых заключается в определении релаксационных характеристик жидкой фазы. Количественная оценка динамической вязкости может быть проведена с применением метода затухающих крутильных колебаний шара в жидком металле. Вязкость металлических расплавов может быть изучена, как рекомендуют в работе Е.Г. Швидковского, с помощью метода затухающих крутильных колебаний цилиндра, наполненного жидким металлом. Этот метод позволяет определять значения кинематической вязкости. Для изучения температурной зависимости вязкости металлических расплавов, в том числе содержащих малые добавки углерода, может быть использован вязкозиметр Швидковского, В соответствии с рассматриваемой методикой исследуемый металл помещают в цилиндрический тигель, подвешенный на кварцевую подвеску. Через цанговый зажим кварцевая подвеска крепится к вольфрамовой нити. Тигель размещают в трубчатом нагревателе. Измерения вязкости проводят в вакууме не ниже 13,3—1,33 мПа. С помощью магнитно-электрической системы тиглю с находящимся в нем расплавом металла сообщают крутильноколебательные движения вокруг собственной оси. С помощью оптической системы и отсчетного устройства фиксируют определенное число гармонических колебаний в определенном интервале амплитуд за конечное время (т). Значения кинематической вязкости подсчитывают по формуле, предложенной Швидковским:

где К — момент инерции подвесной системы (при пустом тигле); R — внутренний радиус тигля; M — масса металла в тигле; b, b0 — логарифмический декремент затухания системы, наполненного металлом (b) и пустого (b0) тигля; L, L0 — периоды колебания наполненного металлом (L) и пустого (L0) тигля; о — поправочный коэффициент, равный

Поправочный коэффициент о учитывает влияние взаимодействия донной части тигля с расплавом на величину кинематической вязкости без поправки (v*):

Член уравнения b0L/L0 вычисляют по результатам предварительного опыта с незаполненным металлом тиглем. При этом

где A0 и An — начальная и конечная амплитуды после п колебаний системы. Следовательно,

Поправочный коэффициент о при R = 0,55 см и 2H = 4,5 см вычисляется по уравнению (6.43). При у = 2пR2/(v*L) = 330 и при значениях а, b, с, согласно данным, приведенным в табл. 6.4, получают величину поправочного коэффициента о. При значениях х = b/2п = 0,166/2/3,14 0,026, а также полагая величину третьего члена в уравнении (6.43) бесконечно малой, получим

В литературе приводятся также и другие зависимости, с помощью которых может быть проведена приближенная оценка вязкости металлических расплавов. К наиболее простым относится уравнение Королькова

где v — кинематическая вязкость; Vпл — атомный объем при температуре плавления; к — безразмерный коэффициент (k = 4+5).

Для определения динамической вязкости можно использовать уравнение Андраде:

где А — атомная масса металла.

Применение уравнений (6.49) и (6.50) для получения расчетных значений кинематической вязкости жидких тугоплавких металлов показало их полную пригодность. Расчетные значения кинематической вязкости жидких тугоплавких металлов при температуре их плавления находятся в хорошем соответствии и могут быть использованы в качестве предварительных (ориентировочных) данных для расчета кинетики процессов пропитки пористых тел, растекания и др.

Измерение вязкости жидких металлов, обладающих большим сродством к углероду, целесообразно проводить в условиях, исключающих возможность взаимодействия металлических расплавов с углеродом. Одним из методов, позволяющих проводить измерение вязкости жидких металлов, практически исключающих загрязнение расплавов примесными элементами, в том числе и углеродом, является «метод веса пластинки», или так называемый «торсионный метод». Сущность метода сводится к определению логарифмического декремента затухания колебательной системы, возникающего под действием силы на вертикальный стержень или пластинку, закрепленную на упругой балке, от момента контакта пластинки с горизонтальной поверхностью расплава до установления равновесного или стационарного состояния процесса. Колебания пластинки, погруженной в жидкий металл, затухают в соответствии с известными закономерностями. Процесс затухания колебаний системы записывается на осциллограмму, по которой определяется логарифмический декремент (6). Поскольку логарифмический декремент затухания колебаний системы зависит не только от параметров колебательной системы, но и от физико-химических свойств жидкости, смачивающей пластинку, то соотношение между кинематической вязкостью и логарифмическим декрементом затухания колебаний системы будет описываться уравнением

где b0 — логарифмический декремент затухания колебаний системы, не находящейся в контакте с жидким металлом; К — постоянная прибора, с-1; S — площадь пластины, смачивающаяся жидким металлом, см2; р — плотность жидкого металла, г/см3; v — кинематическая вязкость, Па*с.

Если площадь пластины, смачивающаяся жидким металлом, неизвестна, то вязкость металлического расплава можно рассчитать по формуле

где l — ширина пластины; ож.г — поверхностное натяжение жидкого металла на фазовой границе раздела жидкий металл — среда (газ.); 0 — угол смачивания.

Логарифмический декремент затухания определяется по формуле

где А0 — амплитуда начального колебания системы; An — амплитуда n-го колебания системы; n — число колебаний.

Величины A0 и An определяют по осциллограмме.

К особенностям описываемого метода определения вязкости металлических расплавов тугоплавких металлов, плавление которых и медном водоохлаждаемом поддоне осуществляется в результате направленного воздействии электронного пучка над поверхностью металла, следует отнести необходимость выбора упругого элемента, обладающего определенной жесткостью. Колебательный контур в целом должен обладать высокой чувствительностью с периодом собственных колебаний (тс), соизмеримым с временем релаксации процесса (т0).

Изучение вязкости металлических расплавов показывает, что наблюдается определенная закономерность в соотношении между вязкостью металлов при температуре, несколько превышающей температуру плавления, и их атомным объемом, а также стандартными значениями энтропии этих металлов. По-видимому, можно сделать вывод о том, что на изменение величины кинематической вязкости металлических расплавов оказывает влияние как геометрический фактор, которым в данном случае является атомный объем, так и энергетическое состояние расплавов, т.е. стандартное значение энтропии.

Вязкость расплавов является структурно-чувствительной характеристикой металлических расплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: