CC BY
70
УДК 54-143
DOI: 10.14529/met180302
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ СТРУКТУРИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Г.В. Тягунов, Е.Е. Барышев, А.Г. Тягунов, В.С. Мушников, Т.К. Костина
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Россия
Проанализированы физические модели строения металлических жидкостей. Состояние жидкости может быть описано в физических терминах, если известны: долевое соотношение ее составляющих, количество, состав и размеры кластеров, число атомов, входящих в кластеры, время жизни кластеров, длина свободного пробега электронов и т. д. Рассмотрены возможности количественного описания структурных параметров, которые вытекают из анализа известных публикаций и наших предложений по их использованию. Наибольшее внимание уделено работам, в которых предлагаемые на обсуждение модельные представления опираются на результаты экспериментальных исследований. Для развития количественной теории физической модели необходимы экспериментальные методы определения относительных долей структурных составляющих расплавов: разупорядоченной зоны и зоны кластеров. Можно полагать, что именно этими характеристиками определяются многие структурночувствитель-ные свойства расплавов и процессы, связанные с изменением их структуры. Показано, что наиболее обоснованными выводами о структурных превращениях и изменениях характера химических связей в жидких металлах являются те, которые вытекают из результатов комплексных исследований свойств на одном и том же объекте, а также из результатов рентгено-структурных, нейтронографических и других прямых методов. Для длительно существующих квазиравновесных метастабильных состояний жидкости предложен квазихимический вариант модели микронеоднородного строения металлических расплавов. Он учитывает три основополагающие идеи: равномерность двух типов движения частиц жидкости, существенную роль сил межатомного притяжения в формировании конденсированного состояния и особенности силовых полей конкретных атомов расплава. При этом особое внимание уделяется учету энергетической неравноценности межатомного взаимодействия атомов разных элементов, что является причиной возникновения кластеров разного состава и строения, обладающих разной устойчивостью во времени.
Ключевые слова: жидкий металл, строение, свойства, моделирование, кластер, межкластерное пространство.
Исследования структуры жидкостей Де-баем и Шеррером с помощью рассеяния рентгеновских лучей впервые показали, что расположение частиц в жидкости не беспорядочно и имеет сходство с их расположением в кристалле. Это принципиально отличало их результат от геометрического подхода Дж. Бернала.
Физическое обоснование рентгенострук-турных данных предложено Я.И. Френкелем [1], а дальнейшее их развитие принадлежит Эйрингу [2]. Так появилась теория дырочного строения в виде квазирешетки с частично вакантными узлами.
Однако еще в 1931 году Стюарт представил на обсуждение модель строения жидкости в виде связанных между собой сиботаксисов, в которых после плавления кристалла сохраняется упорядочение частиц. Сиботаксисы
неустойчивы и характеризуются высокой динамичностью: разрушаясь в одном месте, они возникают в другом. Продолжительность их существования, а также соотношение объемов разупорядоченной и упорядоченной частей жидкости определяются параметрами состояния системы [3]. Основные положения модели нашли применение при разработке таких многоатомных ансамблей, как микрогруппировки, рои, кластеры и т. д.
Прошли годы и, благодаря активным исследованиям строения и свойств жидких металлов и сплавов различными научными школами, можно считать установленным, что металлические жидкости по своей структуре являются микронеоднородными и неравновесными [4, 5]. Как следствие, эти особенности структуры расплава оказывают влияние на
эффективность технологических процессов и формирование качественных показателей металлопродукции [6, 7].
Согласно представлениям, сложившимся в физике металлических жидкостей, тепловое движение атомов в основном составляет их колебательное (волновое) движение вокруг положения равновесия с постоянной частотой Йс/Х, где X - длина волны колебательного движения, с - скорость света и Й - постоянная планка к периодам колебаний 10-14-10-18 с. Квант энергии теплового колебательного движения атомов назван фононом. Время его жизни 10-11 с, что на 2-3 порядка превышает продолжительность колебаний одиноких атомов. При нагреве до температуры Дебая количество фононов определяется как Лф ~ Т3, а выше температуры Дебая Лф ~ Т [8].
Плотное расположение атомов в жидкости способствует тому, что любое колебательное движение произвольно выбранного атома может происходить только в том случае, если соседствующий с ним атом в своем колебательном движении будет двигаться в том же направлении. Область жидкости, в пределах которой тепловые колебания атомов согласованы - это кластер. Размеры таких микрообластей превышают несколько координационных сфер. От центра кластера к периферии степень атомной упорядоченности уменьшается, что обеспечивает плавное структурное сопряжение с разупорядоченной зоной.
Под влиянием флуктуаций тепловой энергии в одних микрообъемах жидкости кластеры распадаются, а в других - зарождаются. Локальная неустойчивость кластеров характеризуется средней продолжительностью их жизни хкл > 10"9 с, тогда как среднее время жизни термодинамических флуктуаций плотности, по мнению Ашкрофта [9], составляет 10-13 с, а по данным работы [10] Тфл= 10-15-10-14 с.
Приведенные значения ткл и Тфл хорошо согласуются с размерами обсуждаемых микрообъемов. Флуктуации плотности не превышают двух координационных сфер, а кластеры, по мнению многих авторов, обладают значительно большими размерами Rкл >(10...25)-10-1° м.
Действительно, образование таких больших областей упорядочения в расплавах с упаковкой частиц, близкой к кристаллической, трудно объяснить с позиций флуктуа-
ции плотности в жидких металлах, имеющих ту же частоту, что и тепловые осцилляции атомов [9].
При повышении температуры расплава объем и размеры кластеров уменьшаются. Интенсивность этого процесса определяется химическим составом кластера, т. е. зависит от энергии межатомного взаимодействия и внешних воздействий.
Разупорядоченная зона представляет собой непрерывную трехмерную ячеистую структурную составляющую жидкости, заполняющую промежутки между кластерами. Атомы этой зоны колеблются практически независимо от окружения, т. е. переход атома в разупорядоченную зону можно рассматривать как результат исчезновения (испускания) фонона.
Таким образом, состояние жидкости может быть описано в физических терминах, если известны: долевое соотношение ее составляющих, количество, состав и размеры кластеров, число атомов, входящих в кластеры, время жизни кластеров, длина свободного пробега электронов и т. д.
Поэтому в дальнейшем остановимся на тех возможностях количественного описания структурных параметров, которые вытекают из анализа известных публикаций и наших предложений по их использованию. Отметим лишь, что наибольшее внимание в нашем описании уделено не феноменологическим теориям, а работам, в которых предлагаемые на обсуждение модельные представления опираются на результаты экспериментальных исследований.
С целью изучения температурных и концентрационных зависимостей, как правило, используются методики анализа теплопроводности, магнитной восприимчивости, кинематической вязкости, поверхностного натяжения, термо-э.д.с., плотности, отличающихся высокой чувствительностью к структурным изменениям при плавлении и дальнейшем нагреве. Наиболее обоснованными выводами о структурных превращениях и изменениях характера химических связей являются те, которые вытекают из результатов комплексных исследований свойств на одном и том же объекте, а также из результатов рентгенострук-турных, нейтронографических и других прямых методов.
Детальное описание и количественная оценка структурной и химической микроне-
однородности жидкостей является задачей многих исследований. В частности, В.И. Архаровым и И.А. Новохатским предложена квазикристаллическая модель строения расплавов [11, 12]. Для количественного описания микронеоднородности авторы ввели характеристику (у), выражающую относительные доли отдельных структурных составляющих жидкой фазы. В случае многокомпонентной (поликластерной) жидкой фазы эти доли связаны уравнением вида
Е(Укл )г +Ураз = 1 (1)
где укл и ураз - относительные (атомные или
мольные) доли кластеров разных типов и общей разупорядоченной зоны соответственно [13].
Величины укл и ураз зависят от природы
жидкости и температуры. При достижении жидкостью равновесной для данной температуры структуры между всеми ее составляющими устанавливается состояние динамического равновесия.
С ростом температуры равновесное значение относительной доли кластеров уменьшается. При определенной (для каждого типа кластера) температуре (¿раз) соответствующие кластеры вырождаются.
Температурная зависимость вид [12]
V,
раз
имеет
(
Ураз = А ■ еХР
АН,
\
раз
R ■ T
(2)
где А - постоянная; АН^^аз - тепловой эффект
процесса термического разупорядочения 1 моля кластеров по схеме
(3)
(Ме)кл =(Ме)раз + АН раз.
Из анализа выражений (1)-(3) следует, что для полного количественного описания структурной микронеоднородности одноком-понентной жидкости необходимо определить тем или иным способом ураз при какой-либо
температуре и АНраз.
Относительную долю разупорядоченной зоны при температуре плавления рассчитывают с привлечением справочных термодинамических данных [14].
Используя зависимость (2) по значениям
раз)пл и ^Нраз , оЦенивают температуру полного разупорядочения и относительные
доли структурных составляющих жидкости при различных температурах.
Другие методы расчетов описаны в работах [15, 16] и основываются на первом следствии модели об аддитивности распределения свойств жидкости Ф^ по ее структурным составляющим.
Для однокомпонентной жидкости при всех t < ^аз следует
ФЕ= Фкл -Укл + Фраз • Ур^ (4)
где Фкл, Фраз - парциальные значения какого-либо свойства для кластеров и разупорядо-ченной зоны.
Температура полного разупорядочения жидкого металла разделяет две различные области температурной зависимости и свойства Ф^ . В области t > tраз последняя представляет собой температурную зависимость парциального свойства для разупорядоченной зоны. Экстраполяцией в область t < ^аз рассчитывают все значения Фраз и для более
низких температур.
Таким образом, для развития количественной теории квазиполикристаллической модели необходимы экспериментальные методы определения относительных долей структурных составляющих расплавов: разупорядоченной зоны и зоны кластеров. Можно полагать, что именно этими характеристиками определяются многие структурночувст-вительные свойства расплавов и процессы, связанные с изменением их структуры [16-19].
Принципиальные основы разработанного экстраполяционного термодинамического метода определения в расплавах относительных долей кластеров и разупорядоченной зоны в широком интервале температур хорошо описаны в работе [4]. Метод основан на допущении, что при больших перегревах расплавов кластеры полностью исчезают, т. е. жидкость становится структурно однородной, состоящей только из разупорядоченной зоны. Существо экстраполяционного метода проиллюстрируем с помощью рис. 1, на котором в полулогарифмических координатах приведена температурная зависимость растворимости водорода в никеле в интервале температур 1200-2630 °С.
На рис. 1 хорошо виден скачок растворимости Н2, наблюдаемый при плавлении никеля (при 104/Т = 5,79), а также нелинейный
Рис. 1. Температурная зависимость растворимости водорода при РН = 1 атм (С^ см3/100 г) в никеле
температурный ход растворимости газа в жидком никеле. В общем же температурная
зависимость Сн для рассматриваемого случая может быть представлена в виде двух линейных участков. Изменение угла наклона соответствующей кривой наблюдается при 2300 °С.
Такой температурный ход растворимости водорода в жидком никеле (см. рис. 1) можно представить как результат двух различных температурных зависимостей вкладов в общую растворимость газа, вносимых растворимостью его в кластерах и в разупорядочен-ной зоне.
Предположим, что левый линейный участок кривой рис. 1 отвечает температурной зависимости растворимости Н2 в полностью разупорядоченном расплаве. Тогда, экстраполируя (линейно) этот участок в область более низких температур, можно получить для них
значения растворимости водорода (С°з) в
разупорядоченной зоне. Аналогично, экстраполируя температурную зависимость для твердого никеля (правый линейный участок графика рис. 1) в область более высоких температур, можно получить растворимость Н2 в
кластерах (С^) для области существования жидкого никеля.
Определив из графика (см. рис. 1) величины парциальных растворимостей водорода
Рис. 2. Температурная зависимость относительной доли разупорядоченной зоны Ураз для жидкого
никеля в координатах ^^ - С (кривая 1)
и ^Ураз - 104/Г (кривая 2)
таем для любой заданной температуры относительные доли разупорядоченной зоны и зоны кластеров (соответственно Ураз и Укл) с помощью уравнений:
С О _ С о + С0 •
Н2 _ раз ' Ураз кл •Укл;
Ураз +Укл _ 1
(5)
раз
в структурных составляющих расплава (С0 и С°) и общую растворимость СН , рассчи
На рис. 2 (кривая 1) приведены полученные таким образом значения Ураз для жидкого никеля при 1453-2500 °С. Величины ур^
изменяются от 39 % при 1453 °С (Гпл) до ~ 100 % при 2300 °С.
Как видно из рис. 2, полное разупорядо-чение расплава наступает при температуре, которой отвечает излом на кривой растворимости Н2 для области жидкого никеля. При
00
этой температуре величины СН и Сраз совпадают. Приведенные на рис. 2 результаты по Ураз прежде всего свидетельствуют о том, что
кластеры (сиботаксисы) являются довольно стабильными ассоциациями в расплавах переходных металлов.
Энергия активации в процессе термического распада кластеров, рассчитанная по наклону прямой 2 (см. рис. 2), составляет величину (11,0 ± 3,0) ккал/г-атом. Найденное значение Ера3 в пределах ошибок определений совпадает с таковыми для процессов термического расширения жидкого никеля (7,4-7,9 ккал/г-атом [20]) и его вязкого течения (8,65 ккал/г-атом [21]). Таким образом, определяющим фактором для температурных
зависимостей плотности и вязкости является термическое разупорядочение металлического расплава [22].
Применимость экстраполяционного метода ограничивается металлами, не имеющими полиморфных превращений в высокотемпературном твердом и жидком состояниях, и сохраняющих в кластерах тип и параметры атомов кристаллической упаковки. Рассчитанная [16] по политерме стандартной растворимости водорода в никеле температурная зависимость ураз в №ж описывается экспоненциальной функцией
у раз = 6,7623 ехр ( -4885,2/R ). (6)
Найденные величины ураз изменяются от
40 ат. % при tрaз = 1450 °С до 100 % при tраз = 2180 °С.
В общем же, по-видимому, экстраполяци-онный метод (в термодинамическом или кинетическом варианте), может быть применен для аналогичных систем и на основе других объемных структурночувствительных свойств, при распределении которых по структурным составляющим расплавов выполняется правило аддитивности [4].
Учитывая возможность возникновения и весьма длительное существование квазиравновесных метастабильных состояний жидкости, Б.А. Баум с сотрудниками предложили квазихимический вариант модели микронеоднородного строения металлических расплавов [6, 23]. В этом варианте прежде всего учитываются три основополагающие идеи: равномерность двух типов движения частиц жидкости, существенная роль сил межатомного притяжения в формировании конденсированного состояния и особенности силовых полей конкретных атомов расплава. При этом особое внимание уделяется учету энергетической неравноценности межатомного взаимодействия атомов разных элементов, что является причиной возникновения кластеров разного состава и строения, обладающих разной устойчивостью во времени.
Результаты изучения температурных, временных и концентрационных зависимостей физико-химических свойств и данные рентгеноструктурных исследований позволили создать физическую модель структуры расплава, рассчитать размер кластеров, определить тип ближнего упорядочения и коэффициент микронеоднородности, температур-
ный интервал устойчивости первичной (после плавления) структуры жидкого металла, температурный интервал и коэффициент интенсивности высокотемпературной перестройки структуры [24, 25].
Дискуссионными являются вопросы, связанные не только с оценкой доли кластерного объема и разупорядоченной зоны, но и с характером изменения этих зон при нагреве. Так, по вычислениям Г.С. Ершова и В.А. Чер-някова [26] объем разупорядоченной зоны вблизи температуры плавления составляет 3-6 %, а по расчетам И.А. Новохатского и В.И. Архарова [24] - 68 % [15]. По теоретическим предположениям И.А. Новохатского, В.И. Ладьянова и других представителей ква-зиполикристаллической модели строения жидкости, кластеры полностью разрушаются и жидкость переходит в газообразное состояние при Траз > 1,55 Тпл, но опубликованы и другие варианты. Однако рентгеноструктурные исследования А.М. Скребцова свидетельствуют лишь об уменьшении размеров кластеров с ростом температуры [27].
Варианты поликристаллической модели жидкости, предложенные Г.С. Ершовым с сотрудниками [26, 28], имеют достаточно разработанный аппарат для количественной оценки структурной и химической микронеоднородности. Получены выражения для определения количества атомов в кластере (n) и его радиуса (R) при различных типах решетки.
В кластере с ОЦК-упаковкой:
9 гаи„
п
'ОЦК
_9_ 16
АН
f
3 ■ п
\
ОЦК
4
-1
2'
(7)
(8)
\ / где d - межатомное расстояние в жидком металле.
Для кластеров с гранецентрированной упаковкой атомов:
п
ГЦК
(
АИ„
\
3
V АИпл у
R
ГЦК
3 пГЦК
2
-1
d 2 :
(9)
(10)
Приведенные уравнения можно использовать и для металлов, имеющих гексоганаль-ную плотноупакованную структуру [4].
Анализ выражения (2) приводит к выводу, что для полного количественного описания структурной микронеоднородности одно-компонентной жидкости необходимо располагать лишь двумя величинами: у раз (при какой-либо температуре) и АЯраз [29, 30]. С учетом принципа аддитивности доля разупорядо-ченной зоны при температуре плавления определяется соотношением
(vраз )
АН
пл АН
(11)
раз
Теплоты разупорядочения жидких металлов в общем случае близки к их энергиям активации самодиффузии и, следовательно,
Каз )п
АН
(12)
(ЕД) '
V сам
Если величины Ед неизвестны, то для их
оценки можно использовать значения энергии активации вязкого течения (Е^) расплавов.
Согласно модифицированному уравнению Стокса - Энштейна [31], коэффициенты самодиффузии Дсам и динамической вязкости (п) связаны соотношением
Д _ ' (13)
4 лг
где г - радиус диффундирующих частиц.
Изучая характер температурных зависимостей самодиффузии и динамической вязкости, Д.К. Белащенко пришел к выводу [32]: Ед _ Ел+ Т. (14)
Известно [33, 34], что различным типам кристаллических структур соответствуют и различные механизмы их разупорядочения при плавлении. В.И. Ладьянову, например, удалось использовать характерные значения энтропий плавления. С учетом энтропийного коэффициента аэ _ ^AS
R • Т„
(VPa31" (Н ) *
При таком способе расчета (ураз)
(15)
для
разных типов кристаллов составляет 0,23-0,46, а температура полного разупорядочения
^раз ~ 1,55^пл.
Таким образом, степень структурного ра-зупорядочения при фазовом переходе «кристалл - жидкость» определяется двумя величинами: температурой плавления, которую можно рассматривать как интегральный па-
раметр прочности межатомной связи в кристалле, и энтальпией кристалла при этой температуре, характеризующей предельный уровень полученной им тепловой энергии.
Литература
1. Френкель, Я.И. Кинетическая теория жидкости / Я.И. Френкель. - М.: Изд-во АН СССР, 1945. - 375 с.
2. Glesston, C. The Theory of Rate Processes / C. Glesston, K. Leidler, G. Eyring. - New York: Princton University Publ., 1941. - 583 p.
3. Stewart, G.W. X-ray difractition in water: the nature of molecular association / G.W. Stewart //Phys. Rev. -1931. - Vol. 37, no. 1. - P. 9-21. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.37.9
4. Еланский, Г.Н. Строение и свойства металлических расплавов / Г.Н. Еланский, Д.Г. Еланский. - М.: МГВМИ, 2006. - 228 с.
5. Еланский, Г.Н. Сталь и Периодическая система элементов Д.И. Менделеева / Г.Н. Еланский. - М.: МГВМИ, 2011. - 196 с.
6. Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. - М.: Металлургия, 1984. -208 с.
7. Металлические жидкости. Стали и сплавы /Г.В. Тягунов, Е.Е. Барышев, В.С. Цепе-лев и др. - Екатеринбург: УрФУ, 2016. - 268 с.
8. Физический энциклопедический словарь / гл. ред. Ю.В. Прохоров. - М.: Большая рос. энциклопедия, 1995. - 928 с.
9. Ашкрофт, Н. Жидкие металлы /Н. Аш-крофт // Успехи физических наук. - 1970. -Т. 101, № 3. - С. 519-535. DOI: 10.3367/ UFNr.0101.197007g.0519
10. Шахпоронов, М.И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях / М.И. Шахпоронов. - М. : Высшая школа, 1980. - 352 с.
11. Архаров, В.И. О внутренней адсорбции в расплавах / В.И. Архаров, И.А. Новохат-ский // Доклады АН СССР. - 1969. - Т. 185, № 5. - С. 1069-1071.
12. Архаров, В.И. О квазиполикристалли-ческой модели расплавов / В.И. Архаров, И.А. Новохатский // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. -Свердловск, Имет УрО РАН, 1984. - С. 52-53.
13. Кисунько, В.З. Физико-химическая микронеоднородность металлических жидкостей и наследственность в металлах и сплавах: дис. ... д-ра техн. наук /В.З. Кисунько. - Донецк, 1990. - 497 с.
14. О методе расчета относительных долей структурных составляющих жидких
металлов / И.А. Новохатский, В.И. Ладьянов, И.И. Усатюк и др. // Известия АН СССР. Металлы. - 1985. - № 2. - С. 62-65.
15. Новохатский, И.А. Количественная оценка структурной микронеоднородности жидких металлов / И.А. Новохатский,
B.И. Архаров // Доклады АН СССР. - 1971. -Т. 201, № 4. - С. 905-908.
16. Новохатский, И.А. Определение относительных долей структурных составляющих металлических расплавов / И.А. Новохатский, В.И. Архаров // Физика металлов и металловедение. - 1971. - Т. 31, №6. -
C. 1263-1266.
17. Архаров, В.И. Разделение дифракционных эффектов металлических расплавов по структурным составляющим / В.И. Архаров, В.П. Велюханов, И.А. Новохатский // Доклады АН СССР. - 1972. - Т. 205, № 6. - С. 13321334.
18. Метод двух изотерм в дифрактогра-фии расплавов /И.А. Новохатский, В.И. Ладьянов, В.И. Архаров, В.П. Велюханов // Доклады АН СССР. - 1973. - Т. 211, № 4. - С. 814-817.
19. Определение парциальных дифракционных эффектов структурных составляющих металлических расплавов / В.И. Ладьянов, И.А. Новохатский, В.И. Архаров, В.П. Велюханов // Физика металлов и металловедение. - 1973. - Т. 36, № 4. - С. 795-802.
20. Вертман, А.А. Плотность железа, никеля и кобальта в твердом и жидком состоянии / А.А. Вертман, А.М. Самарин, Е.С. Филиппов //Доклады АН СССР. - 1964. -Т. 155, № 2. - С. 323-325.
21. Hiebler, H. Entwicklun einer Versuchseinrichtung zur Bestimmung des Fließverhaltens und der Viskosität metallischer Schmelzen und Messung von flüssigem Eisen, Kobalt, und Nickel / H. Hiebler, H. Trenkler // Berg- und Hüttenmännische Monatshefte. - 1967. - Bd. 112, Nr. 5. - S. 150-163.
22. Вертман, А.А. Свойства расплавов железа / А.А. Вертман, А.М. Самарин. - М.: Наука, 1969. - 280 с.
23. Баум, Б.А. Металлические жидкости / Б.А. Баум. -М.: Наука, 1978. - 135 с.
24. Свойства металлических расплавов / В.С. Цепелев, В.С. Конашков, Б.А. Баум и др. -Екатеринбург: УГТУ- УПИ, 2008. - Ч. 1. -358 с.; Ч. 2 - 383 с.
25. Тягунов, Г.В. Жидкий металл. Порошки / Г.В. Тягунов, Е.Е. Барышев, В.С. Цепелев. - Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2014. - 192 с.
26. Ершов, Г.С. Строение и свойства жидких и твердых металлов / Г.С. Ершов, В.А. Черняков. - М.: Металлургия, 1978. -248 с.
27. Скребцов, А.М. Разрушение кластеров металлического расплава при его нагреве / А.М. Скребцов // Процессы литья. - 2009. -№ 5. - С. 6-11.
28. Ершов, Г.С. Микронеоднородность металлов и сплавов / Г. С. Ершов, А.А. Позд-няк. - М. : Металлургия, 1985. - 212 с.
29. О методе расчета относительных долей структурных составляющих жидких металлов / И.А. Новохатский, В.И. Ладьянов, И.И. Усатюк, Ю.Ф. Каверин // Известия АН СССР. Металлы. - 1985. - № 2. - С. 62-65.
30. Ладьянов, В.И. Термодинамический метод оценки степени микронеоднородности жидких металлов / В.И. Ладьянов, И.А. Новохатский, Е.В. Кузьменых //Металлы. - 1997. -№ 1. - С. 17-23.
31. Лепинских, Б.М. Диффузия элементов в жидких металлах группы железа /Б.М. Лепинских, А.В. Кайбичев, Ю.А. Савельев. - М.: Наука, 1974. - 191 с.
32. Белащенко, Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках / Д.К. Белащенко. - М.: Атомиздат, 1970. -399 с.
33. Ubbelohde, A.R. The molten state of matter / A.R. Ubbelohde. - London: John Wiley and Sons Ltd, 1978. - 412 p.
34. Регель, А.Р. Физические свойства электронных расплавов /А.Р. Регель, В.М. Глазов. -М. : Наука, 1980. - 296 с.
Тягунов Геннадий Васильевич, д-р техн. наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; [email protected].
Барышев Евгений Евгеньевич, д-р техн. наук, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; [email protected].
Тягунов Андрей Геннадиевич, канд. техн. наук, заведующий кафедрой полиграфии и веб-дизайна, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; [email protected].
Мушников Валерий Сергеевич, канд. техн. наук, доцент кафедры безопасность жизнедеятельности, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; [email protected].
Костина Татьяна Кирилловна, канд. техн. наук, доцент кафедры физики, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург; [email protected].
Поступила в редакцию 25 июня 2018 г.
DOI: 10.14529/met180302
ON SOME STRUCTURING FEATURES OF METALLIC FLUIDS
G.V. Tyagunov, [email protected], E.E. Baryshev, [email protected], A.G. Tyagunov, [email protected], V.S. Mushnikov, [email protected], T.K. Kostina, [email protected]
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russian Federation
Physical models of metallic fluids structure have been analyzed. The state of a fluid can be described in physical terms if the proportion ratio is known: the number, composition and size of clusters, the number of atoms in clusters, the lifetime of clusters, the mean free path of electrons, etc. The possibilities of a quantitative description of the structural parameters which follow from the analysis of well-known publications and our proposals for their use have been considered. The greatest attention is paid to works in which the model representations proposed for discussion are based on the results of experimental studies. To develop a quantitative theory of a physical model, experimental methods are needed to determine the relative proportions of the structural components of the melts: the disordered zone and the cluster zone. It can be assumed that exactly these characteristics determine many structural-sensitive properties of melts and the processes associated with a change in their structure. It is shown that the most substantiated conclusions about structural transformations and changes in the nature of chemical bonds in liquid metals are those based on the results of complex studies of properties on the same object, as well as from the results of X-ray diffraction, neutron diffraction and other direct methods. For quasi-equilibrium metastable states of liquid that exist for a long time, a quasi-chemical version of the model of the microinhomogeneous structure of metallic melts has been proposed. Three fundamental ideas are taken into account: the uniformity of the two types of motion of fluid particles, the essential role of the forces of interatomic attraction in the formation of a condensed state and the features of the force fields of specific melt atoms. At the same time, special attention has been paid to the energy disparity in the interatomic interaction of atoms of different elements that is the cause for the emergence of clusters of different composition and structure which have different stability in time.
Keywords: liquid metal, structure, properties, modeling, cluster, intercluster space.
References
1. Frenkel' Ya.I. Kineticheskaya teoriya zhidkosti [Kinetic Theory of Fluid]. Moscow, Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1945. 375 p.
2. Glesston C., Leidler K., Eyring G. The Theory of Rate Processes. New York, Princton University Publ., 1941. 583 p.
3. Stewart G.W. X-ray Difractition in Water: the Nature of Molecular Association. Phys.Rev, 1931, vol. 37, no. 1, pp. 9-21. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.37.9
4. Elanskiy G.N., Elanskiy D.G. Stroenie i svoystva metallicheskikh rasplavov [Structure and Properties of Metallic Melts]. Moscow, MGVMI, 2006. 228 p.
5. Elanskiy G.N. Stal' i Periodicheskaya sistema elementov D.I. Mendeleeva [Steel and Mendeleyev Periodic Table of Elements]. Moscow, MGVMI, 2011. 196 p.
6. Baum B.A., Khasin G.A., Tyagunov G.V. et al. Zhidkaya stal' [Liquid Steel]. Moscow, Metallurgy, 1984.208 p.
7. Tyagunov G.V., Baryshev E.E., Tsepelev V.S. et al. Metallicheskie zhidkosti. Stali i splavy [Metallic Fluids. Steels and Alloys]. Ekaterinburg, UrFU, 2016. 268 p.
8. Fizicheskiy entsiklopedicheskiy slovar' [Encyclopedic Dictionary of Physics]. Prokhorov Y.V. (Ed). Moscow, The Big Encyclopedia, 1995. 928 p.
9. Ashkroft N. [Liquid Metals] Uspekhi fizicheskih nauk, 1970, vol. 101, no. 3, pp. 519-535. (in Russ.) DOI: 10.3367/UFNr.0101.197007g.0519
10. Shakhporonov M.I. Mekhanizmy bystrykh protsessov v zhidkostyakh [Mechanisms of Fast Processes in Fluids]. Moscow, Higher School, 1980. 352 p.
11. Arkharov V.I., Novokhatskiy I.A. [On Internal Adsorption in Melts]. Report of ANSSSR, 1969, vol. 185, no. 5, pp. 1069-1071. (in Russ.)
12. Arkharov V.I., Novokhatskiy I.A. [On a Quasi-Polycrystalline Model of Melts]. Stroenie i svoystva metallicheskikh i shlakovykh rasplavov [Structure and Properties of Metal and Slag Melts]. Sverdlovsk, IMet UrO RAN Publ., 1984, pp. 52-53. (in Russ.)
13. Kisun'ko V.Z. Fiziko-khimicheskaya mikroneodnorodnost' metallicheskikh zhidkostey i nasled-stvennost' v metallakh i splavakh. Dis. d-ra tekhn. nauk [Physicochemical Microinhomogeneity of Metallic Fluids and Heredity in Metals and Alloys. Dokt. Diss.]. Donetsk, 1990. 497 p.
14. Novokhatskiy I.A., Lad'yanov V.I., Usatyuk I.I., Kaverin Yu.F. et al. [On the Method of Calculating the Relative Fractions of the Structural Components of Liquid Metals]. Izvestiya AN SSSR. Metally, 1985, no. 2, pp. 62-65. (in Russ.)
15. Novokhatskiy I.A., Arkharov V.I. [A Quantitative Estimate of the Structural Microinhomogeneity of Liquid Metals]. Doklady AN SSSR, 1971, vol. 201, no. 4, pp. 905-908. (in Russ.)
16. Novokhatskiy I.A., Arkharov V.I. [Determination of the Relative Proportions of the Structural Constituents of Metallic Melts]. Fizika metallov i metallovedenie, 1971, vol. 31, no. 6, pp. 1263-1266. (in Russ.)
17. Arkharov V.I., Velyukhanov V.P., Novokhatskiy I.A. [Separation of the Diffraction Effects of Metallic Melts on the Structural Components]. Doklady AN SSSR, 1972, vol. 205, no. 6, pp. 1332-1334. (in Russ.)
18. Novokhatskiy I.A., Lad'yanov V.I., Arkharov V.I., Velyukhanov V.P. [The Method of Two Isotherms in the Record of Melts Diffraction]. Doklady AN SSSR, 1973, vol. 211, no. 4, pp. 814-817. (in Russ.)
19. Lad'yanov V.I., Novokhatskiy I.A., Arkharov V.I., Velyukhanov V.P. [Determination of Partial Diffraction Effects of Structural Constituents of Metallic Melts]. Fizika metallov i metallovedenie, 1973, vol. 36, no. 4, pp. 795-802. (in Russ.)
20. Vertman A.A., Samarin A.M., Filippov E.S. [The Density of Iron, Nickel and Cobalt in the Solid and Liquid State]. Doklady AN SSSR, 1964, vol. 155, no. 2, pp. 323-325. (in Russ.)
21. Hiebler H., Trenkler H. Entwicklun einer Versuchseinrichtung zur Bestimmung des Fließverhaltens und der Viskositat metallischer Schmelzen und Messung von flüssigem Eisen, Kobalt, und Nickel / Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, 1967, Bd. 112, Nr. 5, S. 150-163.
22. Vertman A.A., Samarin A.M. Svoystva rasplavov zheleza [Properties of Iron Melts]. Moscow, Nauka Publ., 1969. 280 p.
23. Baum B.A. Metallicheskie zhidkosti [Metallic Fluids]. Moscow, Nauka Publ, 1978. 135 p.
24. Tsepelev V.S., Konashkov V.S., Baum B.A. et al. Svoystva metallicheskikh rasplavov [Properties of Metallic Melts]. Ekaterinburg, UGTU - UPI Publ., 2008, Part 1, 358 p.; Part 2, 383 p.
25. Tyagunov G.V., Baryshev E.E., Tsepelev V.S. Zhidkiy metall. Poroshki [Liquid Metal. Powders]. Ekaterinburg, UMTs UPI Publ., 2014. 192 p.
26. Ershov G.S., Chernyakov V.A. Stroenie i svoystva zhidkikh i tverdykh metallov [Structure and Properties of Liquid and Solid Metals]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1978. 248 p.
27. Skrebtsov A.M. [Destruction of Clusters of a Metallic Melt during Its Heating]. Protsessy lit'ya, 2009, no 5, pp. 6-11. (in Russ.)
28. Ershov G.S., Pozdnyak A.A. Mikroneodnorodnost' metallov i splavov [Microinhomogeneity of Metals and Alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1985. 212 p.
29. Novokhatskiy I.A., Lad'yanov V.I., Usatyuk I.I., Kaverin Yu.F. [On the Method of Calculating the Relative Fractions of the Structural Constituents of Liquid Metals]. Izvestiya AN SSSR. Metally, 1985, no 2, pp. 62-65. (in Russ.)
30. Lad'yanov V.I., Novokhatskiy I.A., Kuz'menykh E.V. [Thermodynamic Method for Estimating the Degree of Microinhomogeneity of Liquid Metals]. Metally, 1997, no 1, pp. 17-23. (in Russ.)
31. Lepinskikh B.M., Kaybichev A.V., Savel'ev Yu.A. Diffuziya elementov v zhidkikh metallakh gruppy zheleza [Diffusion of Elements in Liquid Metals of the Iron Group]. Moscow, Nauka Publ., 1974.191 p.
32. Belashchenko D.K. Yavleniya perenosa v zhidkikh metallakh i poluprovodnikakh [Transport Phenomenon in Liquid Metals and Semiconductors]. Mjscow, Atomizdat, 1970. 399 p.
33. Ubbelohde A.R. The Molten State of Matter. London, John Wiley and Sons Ltd, 1978. 412 p.
34. Regel' A.R., Glazov V.M. Fizicheskie svoystva elektronnykh rasplavov [Physical Properties of Electron Melts.]. Moscow, Nauka Publ., 1980. 296 p.
Received 25 June 2018
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
FOR CITATION
О некоторых особенностях структурирования металлических жидкостей / Г.В. Тягунов, Е.Е. Барышев, А.Г. Тягунов и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2018. - Т. 18, № 3. - С. 16-25. DOI: 10.14529^180302
Tyagunov G.V., Baryshev E.E., Tyagunov A.G., Mushnikov V.S., Kostina T.K. On Some Structuring Features of Metallic Fluids. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2018, vol. 18, no. 3, pp. 16-25. (in Russ.) DOI: 10.14529/met180302
