Свойства жидких сплавов: вязкость, плотность. Зависимость их от температуры сплава. Расчет плотности и температуры сплавов

Температура плавления и плотность. От температуры плавления металла зависит способ его плавки, материал футеровки плавильной печи или тигля и литейной формы.

Плотность металлов измеряется массой в единице объема. Значение плотности используют в расчетах массы расплава или отливок по геометрическим размерам или их объемы, если известна масса.

Плотности металлов при комнатной температуре также имеют очень широкий промежуток значений. В технике принято выделять группу легких металлов, служащих основой конструкционных металлических материалов. К легким металлам относят те, у которых плотность не превышает 5 г/см³, т.е. в эту группу входят титан, алюминий, магний, бериллий, литий. К наиболее тяжелым металлам относятся вольфрам и золота, имеющие плотность более 19 г/см³. Температура плавления металлов охватывает промежуток от -39 °С у ртути до 3400 °С у вольфрама.

Температуру плавления сплава рассчитывают с учетом концентрации, атомной массы и понижения температуры плавления основного металла: Т_спл = Т_Ме – (%а*Т_а + %b*T_b + …), где %а, %b и т.д. содержание других компонентов в сплаве, кроме основного; Т_а, T_b – понижение температуры плавления основного компонента при добавлении 1% компонента в сплав.

С повышением температуры от комнатной до температуры плавления плотность большинства металлов уменьшается на 3-5 % вследствие того, что переход металла в жидкое состояние сопровождается увеличением объема. Исключение составляют гелий, висмут, сурьма, германий и кремния, которые при плавлении уменьшаются в объеме при соответствующем повышении плотности расплава.

Наряду с плотностью (), для описания свойств металлов используется обратная величина – удельный объем V = 1 /  см₃/г. С повышением температуры плотность всех металлов в твердом состоянии уменьшается, удельный объем, соответственно, увеличивается. Увеличение удельного объема твердого металла, не испытывающего полиморфных превращений, при нагреве на t может быть довольно точно описано линейной зависимостью V_тв^t = V_тв²⁰ (1 + _твt), где _тв – температурный коэффициент объемного расширения.

Плотность зависит от природы вещества (сплава), от комплекса индивидуальных свойств элементов, входящих в его состав, и вида их взаимодействия. Одно и то же вещество (металл) может иметь разную плотность в зависимости от кристаллического строения, типа кристаллической решетки.

Плотность – это отношение массы вещества к занимаемому объему: m / V, где m – масса, г (кг); V – объем, см³ (м³); плотность, г/см³ (кг/м³).

Удельный объем определяется как отношение веса вещества к занимаемому объему: P / V, где Р – вес, г (кг); удельный вес, см³ (м³).

Вес находят по отношению: Р = m*g или Р = к*m*g, где g - ускорение свободного падения; к – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, входящих в формулу величин. И, следовательно: g/

В одной и той же системе единиц плотность и удельный вес не совпадают численно. Совпадение численных значений плотности и удельного веса, взятых из разных систем единиц измерения, является иногда причиной замены одной величины другой.

На практике плотность определяют для выявления изменений в конечном металле по сравнению с исходным необработанным. Поэтому имеет значение не сам факт установления плотности, а факт разницы плотностей или, что еще более показательно, отношение плотностей:

.

Вязкость – внутренние сопротивление жидкости воздействию внешних сил. Различные жидкости сопротивляются по разному воздействию внешних сил (рис.1).

: 1 – ньютоновская жидкость; 2 – неньютоновская жидкость; 3 – тело Бингама

Рис.1. Различные виды: реологических моделей

Модель 1 характеризуется наличием линейной связи между касательным сдвиговых напряжением и поперечным градиентом скорости dV/dx скоростью деформации ddl. При этом смещение слоев происходит при любом малом приложенном сдвиговом усилии. Такая реологическая модель отвечает так называемой ньютоновской жидкости и описывается уравнением: .

Реологический коэффициент принято называть динамической вязкостью. Кривая 2 иллюстрирует поведение неньютоновской жидкости, где величина зависит от скорости деформации. Зависимость 3 отвечает реологическому телу Бингама, течение которого начинается только тогда, когда нагрузка превзойдет статическое напряжение сдвига. В этом случае .

Величина, обратная вязкости, является мерой текучести, следовательно, чем меньше вязкость, тем больше текучесть.

Вязкость  представляет собой отношение касательного напряжения l, действующего между слоями текущего вещества в направлении его движения, к величине градиента скорости dV/dх, перпендикулярного к потоку. Динамическая вязкость равна: , Па*с. Вспомогательной единицей измерения является пуаз: (П = 0,1 Па*с).

Влияние внутреннего трения на скорость течения расплава лучше выражает кинематическая вязкость, учитывающая плотность расплава: , м²/с.

Вспомогательной единице измерения является стокс: СТ = 10^-4 м²с.

Вязкость зависит: 1) от удельной теплоемкости металла, от скрытой теплоты плавления и теплопередачи от металла к форме; 2) от состава сплава (в значительной мере влияют включения, присутствующие в расплаве, при этом влияет как их количество, так и температура плавления).

Динамическая вязкость падает при повышении температуры: чем выше температура, чем меньше вязкость в сплаве, становится меньше кластеров, примесей, сплав – менее структурированный. Зависимость выражается уравнением: , где А – коэффициент, увязывающий все свойства сплава; R – универсальная газовая постоянная; Т – термодинамическая температура, К; Q – энергия активации вязкого течения расплава.

С увеличением давления уменьшается среднее расстояние между частицами и усиливается взаимосвязь между ними. В связи с этим растет сопротивление сдвигу, и, следовательно, вязкость.

Жидкие металлы и сплавы всегда содержат большое количество взвешенных включений.

Количество, форма, состояние (жидкое или твердое) и распределение неметаллических включений влияют на вязкость. Когда в жидком металле образуются твердые включения, его вязкость существенно повышается. Присутствие твердых взвешенных частиц увеличивает вязкость литейного сплава и усложняет заполнение литейных форм.