Поверхностное натяжение стали - коэффициент поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение основная характеристика процессов, связанных с участием поверхностей или границ раздела. Поверхностное натяжение определяет свободную энергию (работу), которую необходимо затратить, чтобы образовать единицу площади поверхности раздела.

Наличие поверхностного натяжния обусловлено тем, что атомы на поверхности жидкости или кристалла обладают большей потенциальной энергией, чем атомы или ионы внутри их, поэтому поверхностную энергию обычно рассматривают как избыток энергии, приходящейся на единицу площади. В табл. 1 приведены значения поверхностного натяжения для некоторых металлов при температурах, близких к температуре их плавления.

Табл. 1. Поверхностное натяжение жидких металлов [Вертман А. А., Самарин А. М. Строение и свойства жидких металлов. М.: изд-во АН СССР. 1960. 350 с.]

Влияние поверхностного натяжения на кристаллизацию

Распределение примесей на гранях кристалла в процессе затвердевания оказывает существенное влияние на кристаллическую структуру и свойства слитков. Растущий кристалл промышленных сплавов всегда окружен тонким поверхност­ным слоем примесей. Рост кристалла, покрытого этим слоем, может происходить только у вершин и выступов его ветвей, где режим питания чистой жидкостью более благоприятен. Адсорбируемые примеси таким образом значительно влияют на форму кристаллов, поэтому, считают, что дендритная форма роста вызывается влиянием блокирующего слоя, нарушающего нормальное питание. Адсорбционная природа  образования дендритов доказана экспериментально.

Вообще процесс кристаллизации обычно связывают с двумя параметрами: переохлаждением и межфазным натяжением на границе твердый кри­сталл - расплав.

Для оценки величины возможного переохлаждения можно принять, что вся выделяющаяся теплота кристаллизации идет на повышение температуры уже образовавшегося кристалла от Т₁ до Т₂, тогда элементарный баланс тепла при этом имеет вид

M∙L = m∙с∙(T₂ - T₁)                                                                (1)
где  M - количество молей вещества, моль;
       m - масса кристалла, кг;
       С - удельная теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг∙К);
       Т₁ - температура переохлажденного расплава, К;
       Т₂ - температура разогретого кристалла, К;
       L - теплота кристаллизации, Дж/моль.

Переохлаждение dT в этом случае примет вид

dТ = Т₀  - Т₁
где T₀ - температура равновесной кристаллизации.

При Т₂ = Т₀ возникает возможность образования стабильного крис­таллического зародыша. При подстановке в уравнение (1) T₂ = T₀ получим:

M∙L = m∙c∙(T₀ - T₁)

или

dT = L/(c∙M_r)                                                                         (2)
где M_r - молярная масса, г/моль.

Теперь для получения значений максимального переохлаждения доста­точно подставить в выражение (1) табличные значения теплоты кристаллизации L и теплоемкости при постоянном давлении для твер­дой фазы при температуре плавления (2).

Влияние состава на поверхностное натяжение

Одним из существенных факторов, определяющих значение поверхностного натяжения является состав металла.

Для расчета поверхностного натяжения стали может быть использована предложенная Попелем [Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ. 1971. 132 с.] формула:

σ = σ_Fe - 2000·lgΣF_i·x_i                                                          (3)
где σ_Fe - поверхностное натяжение чистого железа, Дж/м²;
       x_i - атомная доля i-го компонента в сплаве;
       n_i - число молей i-го компонента;
       F_i - параметр, характеризующий капиллярную активность легирующей добавки.

При 1600 °С значения F_i, для большинства легирующих добавок приведены в табл. 2. Для других температур значение F следует определя­ть из выражения (4):

F_i^T = (F_i¹⁸⁷³)^(1873/T)                                                            (4)

Табл. 2. Значение параметров капиллярной активности различных элементов

* собственные данные (подробнее об этом здесь). На нашем сайте Вы также можете прочесть статью о влиянии селена и теллурга на поверхностное натяжение стали.

Пример расчета поверхностного натя­жения стали 35ХН3МФА (при Т = 1873 К) приведен в таблице ниже.

Табл. 3. Расчет поверхностного натяжения капли стали марки 35ХНЗМФА

Используя данные таблицы получаем, что поверхностное натяжение для стали 35ХН3МФА в соответствии с выражением (3) составит σ = 1850 - 2000·lg(1,316) =  1611 мДж/м² (изменение поверхностного натяжения чистого железа при снижении температуры с 1600 до 1550 °С не было учтено).

Задать интересующий Вас вопрос или написать комментарий к данной статье Вы можете здесь. Напишите нам и мы обязательно ответим.