Некоторые свойства жидкого железа и его сплавов. Плотность и вязкость стали. Поверхностное натяжение стали. Диффузия примесей в жидком и твердом железе

1 Некоторые свойства жидкого железа

и его сплавов

Температура плавления чистого железа составляет 1539 ^оС, радиус его атома равен 0,126 н.м. При высоких температурах твердое железо существует в модификациях и . Кристаллическая решетка  – пространственно центрированный куб (координационное число 8). Кристаллическая решетка  – куб с центрированными гранями (координационное число 12). Из избыточных примесей фосфор и углерод наиболее сильно влияют на температуру плавления сплавов на основе железа. Обычно в сталях фосфора содержится мало и его влияние несущественно.

Затвердевание стали сопровождается уменьшением ее удельного объема, которое в общем случае зависит от состава металла (в основном, от содержания углерода).

1.1 Плотность железа и его сплавов

Плотность является одним из важнейших структурно-чувствительных свойств. Плотность () является обратной величиной удельного объема (). Удельный объем твердого или жидкого металла можно представить суммой объема атомов (молекул) , который не изменяется в зависимости от температуры и давления, и свободного объема пространств между атомами , который не остается постоянным при изменении внешних условий. Поэтому любое изменение (плавное или скачкообразное) межатомных расстояний, числа ближайших соседей или геометрии размещения атомов (относительно фиксированного) приводит к соответствующему изменению свободного объема и, следовательно, плотности. Можно считать, что плотность является интегральной характеристикой, наиболее тесно связанной со структурой жидкости. По мнению А.А. Вертмана и A.M. Самарина изменение  плотности при нагреве определяется увеличением числа «дырок» в жидкости.

Плотность чистого жидкого железа () зависит от температуры () и ее значение с достаточной степенью точности можно определить из выражения:

Добавка различных примесей, имеющих различные физические свойства, в разной степени влияет на плотность стали.

Е.А. Казачковым с сотрудниками [1] получена следующая эмпирическая зависимость, распространяющаяся на большинство промышленных марок стали:

, где величины в квадратных скобках представляют концентрации соответствующих химических элементов в стали.

Следует отметить, что в некоторых сталях имеют место скачки или переломы на политермах структурно-чувствительных свойств. Объясняются они изменением структуры металла при определенных температурах, например, при температурах превращения  в . Для многих сталей аномалии плотности (отклонения от линейности) фиксируются также в жидком переохлажденном состоянии при температуре ~1420 °С.

1.2 Вязкость стали

При сдвиге слоев жидкости относительно друг друга возникает сила трения (она называется силой внутреннего трения или вязкой силой), препятствующая сдвигу, стремящаяся выровнять скорость движения в разных точках.

Вязкость является важнейшим физико-химическим свойством жидкости. От вязкости стали зависит скорость истечения ее струи из канала сталеразливочного стакана (коэффициенты скорости и расхода). Вязкость влияет на образование ряда дефектов непрерывно-литой заготовки: усадочной рыхлости, плен, неметаллических включений и др.

Для характеристики вязкости принят коэффициент динамической вязкости , численно равный силе внутреннего трения между двумя параллельными слоями несжимаемой жидкости площадью , равной единице, перемещающимися относительно друг друга при градиенте скорости , равном единице:

.

Кроме динамической используется кинематическая вязкость , которая равна отношению коэффициента динамической вязкости к плотности: . Динамическую вязкость измеряют в (Пз), а кинематическую – в .

Вязкость стали зависит от ее химического состава и при 1600 ^оС изменяется в пределах 0,004 – 0,006 .

По мнению Я.И. Френкеля, вязкое течение жидкости заключается в переходе частиц из одного положения равновесия в другое с преодолением энергетического барьера, равного энергии активации вязкого течения . Энергию активации перехода можно рассматривать как энергию «разрыхления» или «дырообразования» жидкости. Энергия разрыхления для жидкости значительно меньше, чем для кристаллов, и по величине приближается к энергии плавления. Для жидких металлов значительно меньше скрытой теплоты испарения