И.И. Усатюк ВЯЗКОСТЬ И САМОДИФФУЗИЯ ЖИДКИХ ЕТАЛЛОВ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

ВЯЗКОСТЬ И САМОДИФФУЗИЯ ЖИДКИХ
МЕТАЛЛОВ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Авторы: И.И. Усатюк, канд. хим. наук, доц.

Источник: http://www.nbuv.gov.ua/Articles/OSPU/opu_98_1/3_9.htm

I.I. Usatyuk. Viscosity and selfdiffusion of liquid metals in magnetic field. It has been discovered that viscosity liquid aluminium, tin, lead, bismuth and indium essential depends on mutual orientation of external magnetic field and stream of liquid in a crucible. The observed phenomenon is explained by additional ordering of melts on account of orientation influence of magnetic field on clusters mutual disposition in melts.

Известно что различные внешние воздействия (магнитное и электрическое поля, рентгеновское и нейтронное излучения, ультразвук и др.) оказывают существенное влияние на структуру и свойства жидких металлов [1,6]. Исследование поведения металлических жидкостей в магнитном поле может дать важную информацию для углубления научных представлений об их тонкой структуре. В частности, для дальнейшего развития квазиполикристаллической модели расплавов принципиальное значение имеют экспериментальные данные, свидетельствующие об эллипсоидной форме кластеров в жидких кристаллах [7]. С учетом этих обстоятельств изучено влияние магнитного поля на процессы вязкого течения в расплавах особо чистых алюминия, олова, свинца, висмута и индия.

Изучение политерм вязкости металлических расплавов проводилось в соответствии с методикой [8]. Наложение внешнего магнитного поля на расплав осуществлялось выбором нагревательного элемента вискозиметра. При этом измерения проводились в одинаковых экспериментальных условиях с применением трубчатого (графитового) бифиллярного и проволочного (нихромового) нагревателей соленоидного типа. Питание нагревателей осуществлялось переменным током промышленной частоты, создаваемое нагревателями магнитное поле являлось знакопеременным по направлению. Однако, сопоставляя период колебаний направления такого поля (2.10-2с) с продолжительностью жизни кластеров в жидких металлах (5 .10-9-2,7.10-7 с), можно полагать, что для каждого индивидуального кластера примененное магнитное поле оказывалось по существу постоянным. Кроме того, можно считать, что продолжительности элементарных актов вязкого течения жидких металлов также малы по сравнению с частотой смены направления накладываемого на них магнитного поля. Проведенные измерения напряженности магнитных полей (в зоне нахождения тигля с расплавом) для обоих типов использованных нагревателей показали, что при температурах опытов напряженности поля в них оставались практически одинаковыми (с разницей не более, чем в 5%) и при температуре 1000° С составляли в среднем 3.103А/м.

Полученные политермы кинематической вязкости расплавов алюминия, олова, свинца, висмута и индия в продольном и поперечном магнитных полях однотипны. Типичная зависимость на примере политерм вязкости жидкого алюминия показаны на рис. 1 и описываются экспоненциальной функцией вида:

n = A exp(En / RT) ,

(1)

где A - постоянная;

En - энергия активации вязкого течения.

На подобную зависимость вязкости от температуры указывает прямолинейный характер политерм в координатах ln - 1/T. Значения энергий активации вязкого течения и предэкспоненциального множителя А для расплавов Al, Sn, Pb, Bi и In приведены в таблице.

Значения энергии активации Еn и предэкспоненциального множителя А уравнения (1) для жидких алюминия, олова, свинца, висмута и индия в продольном и поперечном магнитных полях

Металл	Продольное магнитное поле		Поперечное магнитное поле
Металл	А.108, м2/c	Еn, Дж/моль	А.108, м2/c	Еn, Дж/моль
Al	20,31	7200	11,80	11100
Sn	10,20	5700	6,86	5700
Pb	8,22	5900	4,95	8100
Bi	7,38	6100	3,80	7100
In	7,35	6300	7,38	3300

Полученные данные по группе исследованных жидких металлов показывают, что абсолютные значения их вязкости существенно зависят от взаимной ориентации направленности магнитного поля и потока жидкости в тигле: в продольном поле величины n на 17-85 % выше, чем в поперечном.

Анализ комплекса метрологических особенностей получения представленных в таблице результатов приводит к заключению, что обнаруженный эффект не является следствием каких-либо некорректно выбранных методических условий проведения измерений n. При этом особо рассмотрены возможные помехи в измерениях вязкости от токов Фуко. Их величина не могла повлиять на декремент затухания крутильных колебаний тигля в примененном методе.

Наблюдаемые эффекты не находят обьяснения в рамках представлений о жидкости как о структурно микрооднородной среде, поскольку влияние магнитного поля на отдельный атом в жиких металлах пренебрежительно мало по сравнению с энергией теплового движения в них.

Однако механизм наблюдаемого явления может быть успешно объяснен с учетом микронеоднородности структуры жидких металлов. В рамках квазиполикристаллической модели жидкости [9] расплав рассматривается состоящим из двух структурных составляющих ? кластеров (микрообластей с кристаллоподобным расположением частиц) и межкластерной разупорядоченной зоны (с газоподобной упаковкой частиц), которые непрерывно локально превращаются друг в друга благодаря флуктуациям тепловой энергии. При таких допущениях вязкое течение в расплаве осуществляется преимущественно путем относительного смещения частиц в разупорядоченной зоне, а поведение кластеров подобно поведению взвешенных частиц при течении коллоидных растворов. В этом случае вязкость жидкости в основном будет определяться относительной долей разупорядоченной зоны и энергией межчастичного взаимодействия в ней. В случае же, если форма кластеров отличается от сферической, то их взаимное расположение в пространстве также может оказывать влияние на характер вязкого течения жидкой фазы в различных направлениях.

Изменение ориентации магнитного поля не может повлиять при заданной температуре на относительную долю кластеров в жидкости. Такое заключение подтверждается и эксперементально: величины Еn для исследованных металлов практически не чувствительны (см. табл.) к ориентации поля. Поэтому для объяснения обсуждаемых результатов необходимо допускать, что кластеры в жидких металлах оказываются чувствительными к направленности поля. Это возможно, если их форма не сферична, а эллипсоидна. Тогда под влиянием продольного магнитного поля кластеры располагаются своими длинными осями перпендикулярно направлению кольцевого движения расплава в тигле. Такая ориентация кластеров приводит к затруднению процессов вязкого течения в расплаве. В случае наложения поперечного магнитного поля форма его силовых линий внутри нагревателя такова, что они побуждают ориентироваться кластеры преимущественно вдоль направления кольцевого движения расплава в тигле. В последнем случае кластерная текстура оказывается благоприятной для процессов вязкого течения в расплаве. Таким образом, наведенная полем в расплаве кластерная текстура обусловливает появление в нем анизотропии вязкого течения. Приведенный механизм объясняет всю совокупность данных по влиянию магнитного поля и его ориентации на вязкость жидких металлов. Следует также отметить, что при наложении на расплав магнитного поля возможно формирование в нем анизотропии не только вязкого течения, но и анизотропии других кинетических свойств.

На рис. 2 приведены рассчитанные по политермам кинетической вязкости с помощью модифицированного уравнения Стокса-Эйнштейна

D = kT/4pihr кривые температурной зависимости коэффициентов самодиффузии в исследованных расплавах. Видно, что значения коэффициентов самодиффузии жидких металлов существенно зависят, как и в случае вязкости, от ориентации внешнего магнитного поля.

Ориентированное упорядочение кластеров в магнитном поле может оказывать существенное влияние и на многие другие процессы, происходящие в жидких металлах, в частности, на процессы кристаллизации в них. Процесс кристаллизации жидкости в рамках квазиполикристаллической модели можно представить в виде следующих последовательных стадий: кластер жидкости ® зародыш кристалла ® кристалл. Зародыш кристалла образуется в результате ассоциации нескольких кластеров с близкими ориентациями их решеток. Кристалл же формируется в процессе укрупнения зародыша преимущественно за счет присоединения к нему других кластеров, также обладающих кристаллографическим соответствием по отношению к растущему кристаллу. Зародыши твердой фазы, образующиеся из кластеров в предкристаллизационный период, оказываются преимущественно ориентированными вдоль магнитных силовых линий поля, что приводит к определенной ориентации формирующихся первичных кристаллов. В частности, обнаружено, что при стекловании в магнитном поле наблюдается существенное изменение различных свойств стекол, степень которого зависит как от величины напряженности поля, так и от состава стекла [10]. При этом значения свойств изменяются как вдоль, так и поперек магнитных силовых линий, но в различной степени. Отмеченное свидетельствует о том, что при стекловании в магнитном поле свойства стекла зависят от ориентации расплава в поле, т.е. возникает анизотропия свойств. Кристаллизация стекол с анизотропией свойств приводит к текстуре при росте кристаллов.

Литература
1. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. - М.: Металлургия, 1972.
2. Бондарев Б.И. Электромагнитное перемешивание расплава в кристаллизаторе при литье слитков легких сплавов // Магнитная гидродинамика. - 1965. - № 1. - С. 123 - 128.
3. Об управлении структурой кристаллизующихся металлов постоянным магнитным полем / Абрицка М.Ю., Витола В.Х. Карклинь Я.Х. и др. // Магнитная гидродинамика.- 1976.- № 3.- С. 119 - 124.
4. Леонтьев Ю.А., Гаврилин И.В., Каленов В.П. О влиянии статического электричества на кристаллизацию металлов // Известия АН СССР. Металлы. - 1976. - № 3. - C. 70 - 76.
5. Слуховский О.И., Персион З.В., Романова А.В. О влиянии рентгеновского излучения на структурные характеристики некоторых металлических расплавов // Научные сообщения IV Всесоюзной конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. Ч. 2. Исследования металлических расплавов. - Свердловск, 1980. - C. 24 - 26.
6. Данильченко Б.А., Круликовская М.П. Влияние (-облучения на температуру перехода твердая " жидкая фаза в алюминии // Украинский физический журнал. - 1971. - Т. 16.- № 11. - C. 1914 - 1916.
7. О механизме влияния различных добавок на переохлаждение жидкого железа / Новохатский И.А., Погорелов А.И., Кисунько В.З. и др. // Изв. АН СССР. Металлы. - 1984. - № 1. - C. 50 - 57.
8. Соловьев А.Н., Каплун А.Б. Вибрационный метод измерения вязкости жидкостей. - Новосибирск: Наука, 1970.
9. Архаров В.И., Новохатский И.А. О внутренней адсорбции в расплавах // Доклады АН СССР. - 1969. - T. 185. - № 5. - C. 1069 - 1071.
10. Ходаковская Р.Я., Павлушкин Н.М. Эффект ориентации структуры при стекловании расплавов в слабых магнитных полях // Стеклообразное состояние. - Л.: Наука, 1983. - C. 70 - 74.