Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 8

1.7. Основные положения жидкого состояния металлов

Отличительным свойством жидких металлов, как и всех жидкостей, является их способность приобретать форму того сосуда, в который они помещены. Именно на этом основано существо литейной технологии и возможность изготовления деталей и изделий сложнейшей геометрической конфигурации.

Если в твердом состоянии металлы и сплавы имеют четко выраженное кристаллическое строение, то при переходе в жидкое состояние кристаллическое строение нарушается. Однако сопоставление целого ряда свойств жидких и твердых металлов показывает на большую вероятность близости строения жидких металлов с твердыми. Так плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность, электропроводность жидких металлов лишь незначительно отличаются от аналогичных свойств твердых металлов. В то же время у этих двух состояний металлов есть и существенные различия, относящиеся, прежде всего к реологическим свойствам. Так у жидких металлов реологические свойства радикально отличаются от твердых. Предельное напряжение сдвига, модуль сдвига жидких металлов имеют минимальные значения, близкие к нулю, а у твердых металлов эти величины составляют сотни мега-паскалей.

Таким образом, у твердых и жидких металлов следует ожидать как схожести, так и различий в их строении. Получила распространение гипотеза о наличии дальнего и ближнего порядка атомов в твердом состоянии и о сохранении в жидком состоянии только ближнего порядка атомов (исчезновение дальнего порядка атомов). В первом приближении чисто геометрически ближний и дальний порядок отвечает клеткам шахматной доски; а сохранение ближнего порядка при исчезновении дальнего отвечает расположению камней на булыжной мостовой. Каждый камень имеет четыре соседних, как и шахматная клетка соседствует с четырьмя другими клетками, но порядка в горизонтальном и вертикальном направлениям по линиям нет.

Для количественной оценки взаимного расположения атомов относительно друг друга применяют ряд методик теоретического и экспериментального изучения строения жидких металлов. В физике металлов сделаны попытки теоретического расчета взаимного расположения атомов в жидких металлах. Для расплава металла объемом V, состоящего из N-атомов, определим фиксированное положение каждого атома в трехмерном пространстве: х₁, у₁, z₁; х₂, у₂, z₂, … х_i, у_i, z_i, … х_N, у_N, z_N. Заданный ряд положений атомов определяет конфигурацию всей системы – R. Для любой конфигурации R соответствует своя отображающая точка, относительно которой определяются координаты всей системы, состоящей из N-атомов. Пространство, занимаемое отмеченными атомами, называется конфигурационным. Расположение атомов в конфигурационном пространстве, несомненно, обусловлено силовым межатомным взаимодействием. Потенциальная энергия конфигурации обусловлена кулоновским взаимодействием атомов. Если допустить, что потенциальная энергия складывается из парного взаимодействия атомов, то полная потенциальная энергия конфигурации выразится , где  – потенциальная энергия изолированной пары атомов: , а .

В действительности же на потенциальную энергию системы оказывает влияние не только взаимодействие между двумя соседними атомами, но и действие третьего, четвертого и т.д. атома. Приближенно для типичных конфигураций атомов жидких металлов можно считать, что силы связи между атомами равны силам межатомной связи в кристаллической решетке.

Тогда все основные термодинамические свойства жидкого металла определим через статистическую функцию Z, зависящую от температуры и конфигурационного интеграла Q:

, где m – масса атома металла; k – постоянная Больцмана ( Дж/град); h – постоянная Планки ( Дж×с).

Конфигурационный интеграл ,где dR – элемент 3N-мерного конфигурационного пространства.

Свободная энергия системы при постоянном объеме определится: , а далее могут определены и другие термодинамические величины.