Глава 4. Физико-химические свойства металлических расплавов

1. Строение и свойства металлических расплавов

Современные воззрения на структуру и строение жидких металлов

Известно, что в твердом состоянии металл имеет кристаллическое строение. Так, α-Fе имеет строение кубической объемноцентрированной решетки. Постоянная этой решетки а равна 0,286 нм, γ-Fе имеет кубическую гранецентрированную решетку с постоянной 0,356 нм. На рис. 68 показаны эти кристаллические решетки. В узлах кристал­лической решетки размещаются положительно заряженные катионы. Валентные электроны атомов "коллективизируются" и образуют электронный газ. Этот газ обла­дает свойствами идеального газа, частицы которого подчиняются принципу Паули и поведение ко­торых описывается статистикой Ферми - Дирака.

Рисунок 68 - Кристаллическая решетка α-Fe (а), γ-Fe

По принципу Паули состояние каждого коллективизированного электрона определяется набором квантовых чисел, которые опре­деляют положение электрона в пространстве импульсов. В каж­дом состоянии с данным им­пульсом находятся два электрона, различающиеся между собой зна­чениями спина. Электроны, имеющие импульс, равный - р, имеют одинаковую кинетическую энергию

Е = р²/2m.

Электроны, обладающие максимальной кинетической энергией при абсолютном нуле, образуют в пространстве импульсов сферу - поверхность Ферми. Энергия таких электронов называется энергией Ферми, которая определяется выражением:

где m - масса электрона, n - плотность электронного газа. Энергия Ферми равна химическому потенциалу металла при абсолютном нуле.

Свойства металла во многом определяются свойствами электро­нов, находящихся на поверхности Ферми или вблизи нее.

Для точного определения свойств металлов и характера их взаимодействия с другими элементами при образовании растворов и интерметаллических соединений кроме модели электронного газа должны быть привлечены сведения по взаимодействию отдельных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки между собой, характеристика связи электронов с ионами и геометрия размещения ионов в пространстве.

Высокая подвижность электронов в кристаллической решетке металла объясняет высокую электропроводность, теплопроводность.

Упорядоченное размещение частиц в объеме всего кристалла называется дальним порядком. По структуре одной элементарной ячейки в кристаллической решетке можно определить строение всего кристалла металла. При нагревании возрастает амплитуда коле­баний ионов в узлах кристаллической решетки. Некоторые из них срываются со своих мест и переходят в междуузлия. В решетке появляются вакантные, незанятые узлы.

При плавлении концентрация вакансий резко возрастает, под­вижность частиц значительно увеличивается, связи между ними ослабляются. Структура материи разрыхляется, дальний порядок нарушается. Однако ближний порядок, т.е. упорядоченное располо­жение частиц в пределах одной или нескольких соседних элемен­тарных ячеек, сохраняется. Это подтверждается рентгеноструктурными и другими исследованиями жидкого металла.

При плавлении металла его объем увеличивается примерно на 3 %, соответственно расстояние между атомами возрастает на 1 %. Происходит частичное разрушение кристаллической решетки, но полного разрушения не происходит, так как атом, теряя связь с одним соседом, не порывает связь с другим. В сплошной материи образуются "дырки", появляется свободный объем. Он является результатом того, что увеличивается объем вакансий. Дырочная теория строения жидкостей объясняет многие свойства жидких металлов. Но мнению Я.И.Френкеля « . . . тепловое движение в жидкости является чередо­ванием малых колебаний частиц около положения равновесия, а не беспорядочным движением их». Атомы в расплаве в течение непро­должительного времени занимают соседнее положение среди одних и тех же атомов, реализуя тем самым структуру ближнего порядка. Атомы удерживаются в положении равновесия силами, подобными тем, которые связывают частицы в кристаллах, но более слабыми.

Из этого положения вытекает гипотеза, разработанная В.И.Дани­ловым, что определенный порядок в структуре жидкости является следствием размытия кристаллической решетки твердого тела при его плавлении; структура жидкости "наследует" определенное строение твердого вещества.

Этот вопрос является одним из основных в теории жидкого состояния. От его решения зависят наши возможности воздействия на свойства жидкости или использования этих свойств в определен­ном, нужном нам направлении. С другой стороны, переход жидкости в твердое тело также представляет большой интерес, ибо в той мере, в какой жидкость наследует строение твердой структуры, так и твердая структура должна наследовать свойства жидкости.

Одним из методов исследования структуры жидкости является применение дифракционных методов.