2.1 Плотность
Плотность ρ (кг/м3
или г/см3) является обратной
величиной удельного объемаVуд.
Удельный объем твердого или жидкого
металла можно представить состоящим
из объема собственно атомовVат
который не изменяется при изменении
температуры и давления, и свободного
объемаVсв, заполняющего
промежутки между атомами.
Последний 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.
https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru
Было отмечено, что
между типом кристаллической решетки
металла и изменением плотности при
плавлении существует определенная
зависимость. Металлы, обладающие плотными
кристаллическими решетками (о.ц.к.,
г.ц.к., г.п. – Fe, Ni,Na,
Al и др.), плавятся с увеличением объема,
понижением плотности и координационного
числа.
2.2 Вязкость
Одним из основных
физических свойств жидкости, в том числе
и расплавленных металлов, является их
вязкость, или текучесть. Свойство
вязкости тесно связано со структурой
жидкости и определяется межчастичным
взаимодействием. Вязкость является
одной из наиболее структурно-чувствительных
характеристик жидкости.
Где S– площадь соприкосновения слоев, м2;dv/dx– градиент скорости слоев жидкости
перпендикулярно направлению потока,
с-1. ПриS=1м2иdv/dx=1с-1коэффициент динамической вязкости
равен силе трения. Единицы измерения
коэффициента динамической вязкости в
системе СИ – Па.
Вязкое течение
заключается в переходе частиц из одного
положения равновесия в другое с
преодолением энергетического барьера,
равного энергии активации, которая
определяется силами межчастичного
взаимодействия. Вязкость расплавленных
металлов, в значительной степени будет
зависеть от изменения сил межчастичного
взаимодействия при нагревании расплава
или под влиянием другого элемента.
Поверхностное
(межфазное) натяжение
Поверхностное
натяжение возникает в слое жидкости
на границе раздела с газом или собственным
паром. Поверхностное натяжение можно
рассматривать как силу, действующую на
единицу длины контура поверхности и
стремящуюся сократить поверхность до
минимума при заданных объемах фаз.
Поверхностное натяжение на границе
двух конденсированных фаз обычно
называют межфазным натяжением.
Поверхностное
натяжение – термодинамическая
характеристика поверхности раздела
двух фаз (тел), определяемая работой
обратимого изотермического образования
единицы площади этой поверхности. Работа
образования новой поверхности
затрачивается на преодоление сил
межатомного сцепления (когезии) при
переходе частиц вещества из объема тела
в поверхностный слой.
равнодействующая
межмолекурярных сил в поверхностном
слое не равна нулю (как в объеме тала) и
направлена внутрь той фазы, в которой
силы сцепления больше. Поверхностное
натяжение – мера некомпенсированности
межмолекулярных сил в поверхностном
(межфазном) слое, или избытка свободной
энергии в объемах фаз.
Поверхностные
силы играют в металлургических процессах
огромную роль. Они определяют условия
зарождения новых фаз в металлической
жидкости., ассимиляцию (усвоение)
неметаллических включений шлаковыми
расплавами, пропитку и взаимодействие
жидких металла и шлака с огнеупорной
кладкой сталеплавильного агрегата и
многое другое.
Поверхностное
натяжение является структурно-чувствительной
характеристикой. Любые изменения сил
межчастичного взаимодействия, характера
размещения частиц (межатомных расстояний
и координационного числа) отражаются
на величине σ. Также поверхностное
натяжение существенно зависит от
строения и свойств границ раздела.
2.5 Теплопроводность
Перенос тепла в
металлах осуществляется свободными
электронами и упругими колебаниями
кристаллической решетки. Таким образом,
коэффициент теплопроводности λ слагается
из коэффициента теплопроводности
решетки и коэффициента теплопроводности
электронного газа:
,
где λреши – λэрешеточная
фононная и электронная составляющая,
причем при обычных температурах λэ{amp}gt;{amp}gt;
λреш.
В процессе теплопереноса
каждый электрон при наличии градиента
температуры переносит энергиюkТ,
благодаря чему отношение λэк
электрической проводимостиkв широком интервале температур
пропорционально температуре (закон
Видемана-Франца-Лоренца:,
гдеL– постоянная Лоренца).
Для жидких металлов этот закон в точности
не соблюдается (как в случае твердых
тел), так как электрическая проводимость
изменяется при плавлении меньше, чем
теплопроводность. Единица измерения
теплопроводности λ в СИ – Дж/(м*с*К).
2.6 Магнитная восприимчивость
Магнитная
восприимчивость χ – величина,
характеризующая связь намагниченности
вещества J(А/м) с магнитным
полем Н (А/м) в этом веществе. В статических
магнитных полях восприимчивость равна,
где χ – величина безразмерная. Магнитная
восприимчивость, рассчитанная на единицу
массы (1 кг или 1г), называется удельной:.
Магнитные свойства
жидких металлов обусловлены магнитным
моментом движущегося электрона. Ценность
магнитных измерений для теории жидкого
состояния заключается в том, что с их
помощью можно проследить за изменением
числа свободных электронов, так как при
высоких температурах магнитная
восприимчивость определяется в основном
числом свободных электронов.
https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsru
5.6.1 Ферромагнетизм
. Ферромагнетизм
аморфных материалов обусловлен наличием
в них железа, кобальта и никеля, т.е.
типичных ферромагнетиков – элементов
с незаполненной d-оболочкой.
Аморфные
ферромагнитные сплавы можно разделить
на следующие группы:
Сплавы, состоящие
из переходных элементов: Fe-Ni,
Fe-Co,
Ni-Cr;Сплавы, состоящие
из переходных и непереходных металлов:
(Co,
Fe,
Ni)-Au,
(Fe,
Ni)-Pd,
(Fe,
Ni)-Pt;Сплавы, состоящие
из переходных элементов и неметаллов
(аморфизаторов): (Co,
Fe,
Ni)-(B,
P,
C,
Si,
Ge);Сплавы, состоящие
из переходного металла с одним из
редкоземельных элементов: (Co,
Fe,
Ni)-Gd,
Tb,
Er,
Ho, Nd, Pr, Sm, Y, Dy, Lu, Tm, Yb. Сплавы последней
группы обычно являются ферромагнетиками.
Процесс аморфизации,
осуществляемый путем закалки из жидкого
состояния, дает возможность получать
однородные по составу ферромагнитные
материалы, которые в кристаллическом
состоянии термодинамически существовать
не могут. Аморфизация позволяет также
значительно расширить область взаимной
растворимости элементов, в результате
чего можно варьировать свойства АМ в
более широких пределах, чем кристаллических
материалов.
В аморфных сплавах
на основе железа, кобальта и никеля было
обнаружено ферромагнитное состояние.
Намагниченность и температура Кюри в
этих металлах значительно уменьшаются
при переходе из кристаллического в
аморфное состояние. Для этих металлов
ТС
(тем-ра Кюри) в аморфном состоянии ниже,
чем в кристаллическом.
5.6.2 Магнитная
анизотропия. В
АМ, полученных закалкой из расплава,
магнитная анизотропия является следствием
закалочных напряжений, возникающих
при неравномерном охлаждении. Немалый
вклад может внести магнитодистрикционная
деформация, обусловливающая локальную
магнитную анизотропию. Макроскопические
эффекты магнитной анизотропии могут
быть уменьшены или даже совсем уничтожены
химической гомогенизацией или отжигом
с выравниванием структуры и уменьшением
напряжений.
Магнитной
анизотропией в значительной мере
определяется величина коэрцитивной
силы НС
и начальной проницаемости μН.
НС
~ кэ
/Js;
μН
~ Js2/
кэ,
Где кэ
– эффективная константа магнитной
анизотропии, Js-
самопроизвольная намагниченность.
Для аморфных
ферромагнетиков характерна одноосная
анизотропия, энергия которой определяется
выражениям
Еа
= — ка
cosφ,
На
= 2 ка
/Js,
Где ка
– константа одноосной магнитной
анизотропии; φ – угол между вектором
намагниченности и осью легкого
намагничивания.
Существует 2
основные причины магнитной анизотропии
АМ:
Магнитоупругая
анизотропия.
Возникает в аморфных
ферромагнетиках, имеющих нулевую
магнитострикцию, если в процессе
аморфизации в структуре возникают
внутренние или оказывают действие
внешние напряжения.
Индуцированная
анизотропия (анизотропия магнитного
отжига).
Этот вид анизотропии
обусловлен парным упорядочением соседних
атомов вдоль определенного преимущественного
направления.
5.6.3 Доменная
структура АМ. Большинство
аморфных ферромагнитных сплавов на
основе железа, кобальта и никеля имеют
очень низкую коэрцитивную силу, что
связывают с гомогенностью структуры
АМ.
https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyru
Доменная структура
ферромагнетика является результатом
сложного энергетического равновесия
между энергией магнитостатических
полей рассеяния, энергией магнитной
анизотропии и обменной энергией.
Доменную структуру
в АМ изучают с помощью нанесения
магнитного порошка на поверхность
образца.
Наблюдаются
следующие типы доменов:
Домены в виде
полос (часто с волнообразными границами)
шириной 25-100 мкм и длиной 200-300 мкм.
Ориентация таких доменов может быть
параллельна или перпендикулярна оси
образца.Узкие домены
шириной 3-5 мкм с зигзагообразными
границами (рябь) образуют участки
неправильной формы.
Доменная структура,
полученных закалкой из жидкого состояния
лент, характеризуется сочетанием широких
и узких полосовых доменов с осью легкого
намагничивания, параллельной или
перпендикулярной плоскости ленты. Ось
легкого намагничивания широких доменов
лежит в плоскости пленки. Узкие домены
(участки с рябью) имеют легкую ось,
перпендикулярную плоскости ленты.
Модель доменной
структуры в аморфной ленте
5.1 Прочность и твердость
Отсутствие дальнего
порядка в расположении атомов и дефектов
приводит к тому, что предел прочности
аморфных материалов приближается к
теоретическому значению (Е/50, где Е –
модуль Юнга), что существенно выше
соответствующих значений для
кристаллических материалов. Наряду с
высокой прочностью аморфные материалы
обладают высокой твердостью HV,
достигающей в ряде случаев значений
около 1000.
В зависимости от вида деформации
– одноосное растяжение, сжатие, изгиб,
прокатка – проявляется разная степень
макроскопической пластичности аморфных
материалов. В случае одноосной деформации
величина полной деформации до разрушения
обычно составляет 1-2%. Величина же
пластической деформации при этом мала
и обычно не превышает 0,1-0,3%.
Прочностные
свойства аморфных материалов определяются
содержанием как металлических, так и
металлоидных атомов. Добавление хрома,
ванадия, марганца и титана приводит к
увеличению твердости, тогда как замена
части атомов железа атомами никеля,
кобальта и меди уменьшает твердость (в
случае для металлических стекол).
5.2 Пластичность. Виды деформации аморфных материалов
При низких
температурах (Т ‹‹ 0,7 Тст)
пластическая деформация носит
локализованный, негомогенный характер.
При одноосном растяжении пластическая
деформация сосредоточена в одной или
нескольких полосах сдвига, возникающих
на поверхности образца под углом 45º к
оси растяжения. Если пластическая
деформация осуществляется сжатием или
изгибом, то образуется множество полос
сдвига.
При деформации изгибом полосы
сдвига лежат параллельно оси изгиба.
Ширина полос сдвига составляет 10-40 нм.
Объем металла в промежутках между
полосами сдвига остается недеформированным.
Процесс разрушения сопровождается
удлинением вдоль полос скольжения.
Поэтому, скольжение осуществляется
только тогда, когда приложенное напряжение
достигает определенной критической
величины.
Особенностью негомогенной
деформации является то, что в этом случае
отсутствует упрочнение. При негомогенной
деформации происходит значительное
изменение структуры в объеме полосы и
в прилегающих к ней областях. Этот объем
может изменяться динамически, т.е.
частично идет возврат, когда деформация
прекращается.
При достаточно
высоких температурах (Т › 0,75 Тст )
меняется характер деформации: негомогенная
деформация переходит в гомогенную,
когда полосы сдвига в материале не
образуются, а весь объем образца
деформируется вязким образом. В области
гомогенной деформации проявляется ярко
выраженная стадия вязкого течения.
5.5 Неупругие свойства
Упругие свойства
АМ характеризуют силы связи между
атомами. Для аморфных материалов значения
модуля Юнга Е и сдвига G
ниже, чем для кристаллических на 25-30%.
Для определения этих свойств используются
динамические методы, сущность которых
состоит в том, что в исследуемом образце
возбуждаются упругие колебания
(продольные или поперечные) на заданной
частоте f,
которая позволяет рассчитать Е и G
из соотношения (Е, G)
= A*f2,
где А – постоянная, задаваемая способом
возбуждения упругих колебаний и
геометрией образца. Уменьшение Е и G
связано с наличием свободного объема,
возникающего при быстром охлаждении
из расплава.
Реальные твердые
тела не являются идеально упругими.
Отклонения от закона классической
теории упругости получили название
неупругости. Неупругость проявляется
при весьма малых напряжениях в отсутствии
в твердом теле пластической деформации.
Наиболее простое проявление неупругости
— затухание упругих колебаний, возбуждаемых
в твердом теле.
По физическому смыслу
такие явления обусловлены релаксационными
процессами. Поскольку структура АМ
термодинамически находится в неравновесном
состоянии, в ней должны протекать
релаксационные процессы, приводящие
аморфную структуру в более равновесное
состояние. Изучение релаксационных
процессов удобно проводить путем
возбуждения упругих волн разной частоты,
позволяющих получать определенные
характеристики перемещения атомов при
низких и умеренных температурах, т.е.
https://www.youtube.com/watch?v=ytpressru
использовать метод внутреннего трения.
Процессы релаксации, в которых внутреннее
состояние АМ релаксирует в прежнее
положение после воздействия упругого
поля, включает неупругое поведение АМ
вследствие наличия дефектов, двухуровневых
систем, термически активируемых
процессов, а также явлений, связанных
с термоупругой релаксацией.
