» » Микронеоднородность жидких металлов и сплавов
30.01.2015

Проблема изучения свойств металлических расплавов издавна составляет главную задачу научной металлургии. Трудность экспериментирования при высоких температурах с металлическими расплавами является основной причиной, объясняющей существовавший длительное время дефицит экспериментальной информации о свойствах жидко-металлической среды.
В настоящее время благодаря работам А.М. Самарина, А.А. Вертмана, П.В. Гельда, Н.А. Ватолина, Б.А. Баума, Д.К. Белащенко, В.А. Григоряна, П.П. Арсентьева в широком диапазоне температур исследованы вязкость, плотность, поверхностное натяжение, электросопротивление, магнитная восприимчивость, теплопроводность, теплоемкость и диффузионные характеристики большой гаммы важнейших по составу металлических расплавов. В результате этого установлено, что жидкие металлы и сплавы микронеоднородны по структуре и составу; они отличаются высокой термической устойчивостью, наследственной от твердого состояния структурой ближнего порядка. Металлические расплавы в связи с этим можно рассматривать как совокупность динамических микрогруппировок -кластеров, состав и размеры которых определяются характером меж-частичного взаимодействия и температурой расплавов. Физико-химические свойства металлических расплавов определяют интенсивность перемешивания металлов и сплавов в объеме слитка или отливки, зарождение неметаллических включений, рост кристаллов и диффузию легирующих элементов, а также примесей в жидкой, жидко-твердой и твердожидкой зонах.
Поскольку структура и свойства металлических расплавов обусловлены силами межатомного взаимодействия, то они могут существенно изменяться под влиянием различных внешних воздействий. Так, на сохранение структуры ближнего порядка, размеры и продолжительность существования микрогруппировок, отличающихся по строению от металлической матрицы, значительное влияние оказывают температура и длительность выдержки расплавов в заданных условиях, приводящие к разрушению микрогруппировок или, наоборот, к их образованию и укрупнению. В то же время ряд механических свойств и служебных характеристик твердых металлов и сплавов, таких как пластичность, ползучесть, прочность, усталость, оказывается весьма чувствительным к элементам ближнего порядка их структуры, включающим характер расположения атомов и специфику межчастичных связей в пределах одной-двух координационных сфер.
K настоящему времени получены достоверные экспериментальные данные о термодинамическом поведении компонентов многих высокотемпературных металлических расплавов. Однако, природа сил межмашинного взаимодействия, причины отклонения свойств металлических растворов от идеальных не могут быть выяснены лишь методами термодинамики.
С давних пор известно, что все жидкие металлы не являются физически прозрачными жидкостями, о чем неоднократно отмечал академик А.А. Байков. В расплавленных металлах и сплавах, особенно вблизи температурного интервала затвердевания, создаются не только микроупорядоченные образования, но даже мельчайшие микрокристаллики, часть из которых может разрушаться и вновь образовываться под влиянием флуктуаций температуры, плотности, концентрации. Начиная с фундаментальных работ академика А.М. Самарина, в России развивается новое (структурное) направление в изучении металлургических высокотемпературных расплавов.
В соответствии с принятой системой классификации по типу кривых состав — свойство можно выделить три основных типа расплавов: системы с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии, сплавы эвтектического типа и сплавы с химическим взаимодействием компонентов. Анализ имеющихся в литературе термодинамических данных свидетельствует о том, что системам с полным взаимным растворением компонентов в твердом состоянии свойственны небольшие отрицательные отклонения от идеальности. Сюда можно отнести системы Ag-Au; Ag-Cu; Au-Cu; Au-Pt; Cd-Mg; Fe-Co; Co-Ni и Fe-Mn. Однако наблюдаются иногда и положительные отклонения от идеальности: Pd-Fe; Pd-Co; Pd-Ni; Pd-Cu; Fe-Ni; Au-Ni; Bi-Sb. Характерная особенность этих расплавов — монотонное изменение изотерм вязкости (v), электропроводности (р), магнитной восприимчивости к, мольного объема (V), поверхностного натяжения (а) (рис. 2). С ростом температуры уменьшаются отклонения от аддитивности. Характер концентрационной и температурной зависимости электрических и магнитных свойств указывает на различие электронного строения атомов компонентов, что и вызывает незначительное отклонение раствора от идеальности.
В простейших металлических эвтектических сплавах обычно наблюдаются положительные отклонения от идеальности, что соответствует представлению о том, что в этих системах энергия взаимодействия одноименных частиц заметно превышает таковую для разноименных частиц. Однако большинство свойств (электропроводность, магнитная восприимчивость и др.) не проявляется в эвтектической точке. Непосредственным подтверждением квазиэвтектического строения жидких сплавов эвтектического состава является аддитивность дифракционных картин и кривых атомного распределения.
Известно, что главным критерием, определяющим структуру эвтектических расплавов, является размер областей микронеоднородностей. По В.И. Данилову и Я.И. Дутчаку, жидкие эвтектические сплавы отличаются химической неоднородностью в пределах одной или двух координационных сфер. Позднее была предложена модель эвтектической жидкости, согласно которой области микронеоднородности содержат в себе несколько тысяч атомов, Вместе с тем М.И. Шахпоронов считает, что структура затвердевшей эвтектики обусловлена не наличием в жидкости заранее подготовленной эвтектической структуры, как это утверждает Ю.Н. Таран, а особыми условиями кристаллизации при наличии перенасыщения вызывающего задержку кристаллизации то одного, то другого компонента расплава.
Сильное химическое взаимодействие между компонентами в твердом состоянии, сопровождающееся образованием устойчивого химического соединения, проявляется и в жидкости. В связи с этим для системы с интерметаллическими соединениями в твердой фазе чаще всего наблюдается соответствие диаграмм состояния диаграммам состав — свойство. В большинстве случаев координате химического соединения отвечают минимум на изотерме электропроводности р, максимум на кривой вязкости V, изгибы на изотермах магнитной восприимчивости к, электродвижущих сип Е, максимальная величина отклонения от аддитивной прямой изменения молярных объемов V и активностей е (рис. 3). Все это подтверждает сохранение в структуре жидкости особенностей структуры твердого состояния.
Микронеоднородность жидких металлов и сплавов