Значительное влияние на формирование свойств сплавов, в частности таких важных показателей конструктивной прочности как предел текучести и вязкость разрушения, оказывает субструктура [17]. Особенности внутреннего строения зерен -групповые, дислокационные построения, ячейки, блоки - оказывают более сильное влияние на этот комплекс свойств по сравнению с более высокими структурными уровнями (макро-, микро-).
Процесс кристаллизации является первым этапом формирования структуры отливки, поэтому структура и свойства жидкого металла должны оказывать влияние на параметры структуры и свойства литого металла. Рассмотрим это более подробно.
1.2 Роль жидкого состояния металла в формировании структуры и свойств отливок
1.2.1 Микронеоднородность структуры расплава
Расплавленные металлы и сплавы составляют группу металлических жидкостей, межчастичные связи в которых возникают преимущественно вследствие взаимодействия положительных ионов со свободными электронами. И если чистые металлы относительно просты по строению, то их композиции – сплавы – исключительно сложны, что и определяет наблюдаемое разнообразие их свойств. Абсолютное большинство реальных металлических жидкостей – это многокомпонентные системы. При их изучении особое внимание уделяется степени микронеоднородности, под которой подразумевается различие в структуре ближнего порядка отдельных микрообъемов жидкости, названных сиботаксисами [18] или кластерами [19]. Кроме того, важно знать, насколько с течением времени может изменяться строение расплава, т.е. достигается состояние устойчивого равновесия [7, 20], т.к. степень неравновесности расплава влияет на пластичность, прочность и долговечность литого металла.
В зависимости от температуры строение жидкостей различное. При плавлении твердых металлов нарушается дальний порядок структуры, а ближний сохраняется. Поэтому в точке плавления жидкие металлы близки по строению к твердым. При достижении температуры испарения их строение близко к строению газов. За последние десятилетия наметился существенный прогресс в развитии взглядов на структурообразование и формирование свойств веществ в жидком состоянии, что является несомненным следствием накопления богатого экспериментального материала [21-26]. Вместе с тем, в основе этих современных взглядов лежат фундаментальные положения, разработанные Я.И. Френкелем, Н.А. Ашкрофтом, В.И. Даниловым, Н.А.Ватолиным, Г.В. Стюартом, А.М. Самариным, И.З. Фишером, Е.И. Харьковым, Б.А.Баумом и др.
Среди этих положений особо следует выделить положение о генетической связи между жидким и твердым состоянием. В жидкости близость энергии теплового движения и энергии взаимодействия частиц обеспечивает сцепление частиц и их повышенную подвижность, т.е. в жидкости беспорядок превалирует над порядком. Для твердого тела порядок превалирует над беспорядком, элементами которого являются вакансии,, атомы внедрения и т.п. Это важное обстоятельство хорошо учитывается понятием микронеоднородного кластерного строения жидкости, где под кластером понимается длительное существование упорядоченности по сравнению со случайными флуктуациями [20, 21]. В этом понятии много общего с понятиями «ассоциации» и «сольватации», т.е. долговременного объединения частиц.
Кластер
может быть лишь условно выделен за период времени, больший периода его тепловых
колебаний, как микрогруппировка, совершающая собственные тепловые колебания
около какого-то положения равновесия. Продолжительность жизни кластеров
составляет от 10-8 до 10-7 с, а размеры от 2×10-8
до 5×10-8
мм [21]. Кроме кластеров (зон порядка) подобно вакансиям в твердом теле (зон
беспорядка) в металлической жидкости имеется зона межкластерного разрыва, содержащая
определенное число активированных атомов, которое быстро увеличивается с ростом
температуры. Поэтому для расплава, кроме общепринятых понятий «ближний» и «дальний
порядок» предложено ввести промежуточное понятие – “кластерный порядок” [27]. Характерные
времена для этих образований (упомянутые от 10-8 до 10-7
с) достаточно велики по сравнению с временами жизни термодинамических
флуктуаций плотности (приблизительно от 10-15 до 10-14 с
[7, 20]) или временами установления максвеловского распределения по скоростям,
т.е. локального равновесия (приблизительно от 10-14
до 10-13 с [27]). Они определяют локальную структуру жидкости и
свидетельствуют о ее высоком динамизме в абсолютном масштабе времени.
Детальное
обоснование близости жидкостей и твердых тел вблизи температуры плавления было
впервые проведено Я.И. Френкелем [7]. Ему удалось получить качественное
описание теплового движения частиц в жидкости, наглядно объяснить диффузию и
вязкость жидкостей, описать процессы плавления и кристаллизации. По
Я.И. Френкелю, тепловое движение атомов или молекул жидкости состоит из
нерегулярных колебаний вокруг положения равновесия. Характерное для каждой
жидкости время t, в течение которого атом
совершает колебания вблизи одного положения равновесия, связывается с периодом
колебаний t0 уравнением
,
(1.1)
где 
–
постоянная Больцмана;
– температура, К;
– энергия активации, необходимая
атому для преодоления потенциального барьера, разделяющего два возможных
положения равновесия, Дж;
по порядку величины равно от
10-12 до 10-13 и для одноатомных жидкостей
t »10-11
с.
В подавляющем большинстве реальных случаев время воздействия нагрузки на жидкость превышает 10-11 с, поэтому нагрузка по отношению к тепловому движению атомов воспринимается как постоянная. Но под действием приложенной силы перескоки частиц из одного положения равновесия в другое приобретает преимущественное направление, и поток частиц, пропорциональный действующей силе, приводит к обычному вязкому течению.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.