blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-1-40-46blackmet-1831Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESПоверхностное натяжение и плотность расплавов Fe – MnSurface tension and density of Fe – Mn meltsСиницинН. И.SinitsinN. I.

младший научный сотрудник, аспирант кафедры физики

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Junior Researcher, Postgraduate of the Chair of Physics

n.i.sinitsin@urfu.ruЧиковаО. А.ChikovaO. A.

д.ф.-м.н., профессор кафедры физики

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor of the Chair of Physics

ВьюхинВ. В.V’yukhinV. V.

старший научный сотрудник Исследовательского центра физики металлических жидкостей Института материаловедения и металлургии

620002, Россия, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Senior Researcher of the Research Center of Physics of Metallic Liquids of the Institute of Materials and Metallurgy

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation2020290320206314046Copyright © Синицин Н.И., Чикова О.А., Вьюхин В.В., 20202020Синицин Н.И., Чикова О.А., Вьюхин В.В.Sinitsin N.I., Chikova O.A., V’yukhin V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1831

В работе приведены оригинальные экспериментальные данные о поверхностном натяжении расплавов Fe100 – xMnx (х = 4 – 13 вес. %). Поверхностное натяжение и плотность расплава измеряли методом сидящей капли в режиме нагрева от температуры ликвидус до 1780 °С и последующего охлаждения образца в атмосфере высокочистого гелия. Построены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения и плотности расплавов Fe – Mn. Марганец является поверхностно-активным веществом в расплаве железа, величина коэффициента поверхностного натяжения расплавов Fe – Mn с увеличением содержания марганца уменьшается. Экспериментальные данные о коэффициенте поверхностного натяжения расплавов Fe – Mn согласуются с теоретическими зависимостями (уравнение Павлова-Попеля и уравнение Шишковского). В контексте изучения микрогетерогенности расплавов Fe – Mn выявлена связь между значениями их кинематической вязкости, коэффициента поверхностного натяжения и плотности. Зависимость текучести расплавов Fe – Mn от их плотности в режиме охлаждения носит линейный характер, что свидетельствует о выполнении закона Бачинского. Обнаружено расхождение значений отношения вязкости расплава к коэффициенту поверхностного натяжения, полученного по экспериментальным данным и рассчитанного по эмпирической формуле. По экспериментальным данным о вязкости и поверхностном натяжении расплавов Fe – Mn изучено изменение энтропии в объеме расплава и изменение поверхностной энтропии расплава соответственно. Эти показатели снижаются по абсолютной величине с увеличением содержания марганца в расплаве. По результатам работы сделан вывод об отсутствии разрушения микрогетерогенной структуры расплавов Fe100 – x Mnx (х = 4 – 13 вес. %) при нагреве до 1780 °С.

The article presents original experimental data on surface tension of the melts Fe100 – x Mnx (x = 4 ... 13 wt. %). Surface tension and density of the melt was measured by the method of sessile drop at heating from the liquidus temperature up to 1780 °C and subsequent cooling of the sample in the atmosphere of high-purity helium. Temperature and concentration dependences of surface tension and density of Fe – Mn melts was constructed. Manganese is a surface-active substance in iron melt. The value of surface tension coefficient of Fe – Mn melts decreases while Mn content increases. Experimental data on the surface tension of Fe – Mn melts is consistent with the theoretical dependences (Pavlova-Popiel equation and the Shishkovsky equation). During the study of microheterogeneity of Fe – Mn melts, correlation between the values of kinematic viscosity, surface tension and density was determined. Dependence of the fluidity of Fe – Mn melts on their density in the cooling mode has a linear character which indicates the implementation of the Bachinsky law. Discrepancy of values of the ratio of melt viscosity to the surface tension coefficient was obtained from experimental data and was calculated by the empirical formula. According to the experimental data on viscosity and surface tension of Fe – Mn melts, the authors have evaluated the entropy change in volume of the melt and change of surface entropy of the melt, respectively. Surface entropy of the melt and entropy in the melt volume decreases in absolute value with increase of Mn content in it. According to the results of the work, it was concluded that there is no destruction of the microheterogeneous structure of Fe100 – x Mnx melts (x = 4 ... 13 wt. %) when heated up to 1780 °С.

поверхностное натяжениеплотностьрасплавы Fe – Mnмикрогетерогенностьповерхностная энтропиякинематическая вязкостьуравнение Бачинскогоэнтропия вязкого теченияsurface tensiondensityFe – Mn meltsmicroheterogeneitysurface entropykinematic viscosityBachinsky equationviscous flow entropyReferencesВласов В.И., Комолова Е.Ф. Литая высокомарганцовистая сталь Г13Л. Свойства и производство. – М.: Машгиз, 1963. – 195 с.Vlasov V.I., Komolova E.F. Litaya vysokomargantsevaya stal’ G13L. Svoistva i proizvodstvo [Cast high manganese steel G13L. Properties and production]. Moscow: Mashgiz, 1963, 195 p. (In Russ.).Grässel O., Frommeyer G. Effect of martensitic phase transformation and deformation twinning on mechanical properties of Fe–Mn– –Si–Al steels // Materials Science and Technology. 1998. Vol. 14. No. 12. P. 1213 – 1217.Grässel O., Frommeyer G. Effect of martensitic phase transformation and deformation twinning on mechanical properties of Fe – Mn – Si – Al steels. Materials Science and Technology. 1998, vol. 14, no. 12, pp. 1213–1217.Frommeyer G., Brüx U., Neumann P. Supra-ductile and highstrength manganese-TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes // ISIJ International. 2003. Vol. 43. No. 3. P. 438 – 446.Frommeyer G., Brüx U., Neumann P. Supra-ductile and highstrength manganese-TRIP/TWIP steels for high energy absorption purposes. ISIJ International. 2003, vol. 43, no. 3, pp. 438–446.Grässel O., Krüger L., Frommeyer G., Meyer L.W. High strength Fe–Mn–(Al, Si) TRIP/TWIP steels development – properties – application // International Journal of Plasticity. 2000. Vol. 16. P. 1391 – 1409.Grässel O., Krüger L., Frommeyer G., Meyer L.W. High strength Fe – Mn – (Al, Si) TRIP/TWIP steels development – properties – application. International Journal of Plasticity. 2000, vol. 16, no. 11-12, pp. 1391–1409.Idrissi H., Renard K., Ryelandt L. etc. On the mechanism of twin formation in Fe–Mn–C TWIP steels // Acta Materialia. 2010. Vol. 58. No. 11 – 12. P. 2464 – 2476.Idrissi H., Renard K., Ryelandt L., Schryvers D., Jacques P.J. On the mechanism of twin formation in Fe-Mn-C TWIP steels. Acta Materialia. 2010, vol. 58, pp. 2464–2476.Zhuang C., Liu J., Mi Z. etc. Non-metallic inclusions in TWIP steel // Steel Research International. 2014. Vol. 85. No. 10. P. 1432 – 1439.Zhuang C., Liu J., Mi Z., Jiang H., Tang D., Wang G. Non-metallic inclusions in TWIP steel. Steel Research International. 2014, vol. 85, no. 10, pp. 1432–1439.So K.H., Kim J.S., Chun Y.S. etc. Hydrogen delayed fracture properties and internal hydrogen behavior of a Fe–18Mn–1.5Al–0.6C TWIP steel // ISIJ International. 2009. Vol. 49. No. 12. P. 1952 – 1959.So K.H., Kim J.S., Chun Y.S., Park K.-T., Lee Y.-K., Lee C.S. Hydrogen delayed fracture properties and internal hydrogen behavior of a Fe-18Mn-1.5AI-0.6C TWIP steel. ISIJ International. 2009, vol. 49, no. 12, pp. 1952–1959.Lee J., Hoai L.T., Shin M. Density and surface tension of liquid Fe–Mn alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. 2011. Vol. 42. No. 3. P. 546 – 549.Lee J., Hoai L.T., Shin M. Density and surface tension of liquid Fe – Mn alloys. Metallurgical and Materials Transactions B. 2011, vol. 42, no. 3, pp. 546–549.Hoai L.T., Lee J. Density of liquid Fe–Mn–C alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. 2011. Vol. 42. No. 5. P. 925 – 927.Hoai L.T., Lee J. Density of liquid Fe – Mn – C alloys. Metallurgical and Materials Transactions B. 2011, vol. 42, no. 5, pp. 925–927.Hoai L.T., Lee J. Effect of surface adsorption of carbon on the surface tension of liquid Fe–Mn–C alloys // Journal of Materials Science. 2012. Vol. 47. No. 24. P. 8303 – 8307.Hoai L.T., Lee J. Effect of surface adsorption of carbon on the surface tension of liquid Fe–Mn–C alloys. Journal of Materials Science. 2012, vol. 47, no. 24, pp. 8303–8307.Dubberstein T., Heller H.-P., Klostermann J. etс. Surface tension and density data for Fe–Cr–Mo, Fe–Cr–Ni, and Fe–Cr–Mn–Ni steels // Journal of Materials Science. 2015. Vol. 50. No. 22. P. 7227 – 7237.Dubberstein T., Heller H.-P., Klostermann J. etc. Surface tension and density data for Fe–Cr–Mo, Fe–Cr–Ni, and Fe–Cr–Mn– –Ni steels. Journal of Materials Science. 2015, vol. 50, no. 22, pp. 7227–7237.Adolf Z., Plura J, Parma V. Effect of carbon on surface tension in Fe–Mn–C, Fe–Si–C, Fe–P–C, and Fe–S-C melts // Hutnicke Listy. 1987. Vol. 42. No. 8. P. 537 – 544.Adolf Z., Plura J, Parma V. Effect of Carbon on Surface Tension in Fe – Mn – C, Fe – Si – C, Fe – P – C, and Fe – S – C Melts. Hutnicke Listy. 1987, vol. 42, no. 8, pp. 537–544.Попель С.И., Царевский Б.В., Джемилев Н.К. Изотермы плотности и поверхностного натяжения расплавов железа с марганцем // Физика металлов и металловедение. 1964. Т. 18. № 3. С. 158 – 160.Popel’ S.I., Tsarevskii B.V., Dzhemilev N.K. Isotherms of density and surface tension of Fe – Mn melts. Fizika metallov i metallovedenie. 1964, vol. 18, no. 3, pp. 158–160. (In Russ.).Ван Цзин-Тан, Карасев Р.А., Самарин А.М. Поверхностное на- тяжение расплавов железо-марганец и железо-сера // Известия АН СССР. Отделение технических наук. Металлургия и топли- во. 1960. Т. 2. С. 49 – 52.Van Tszin-Tan, Karasev R.A., Samarin A.M. Surface tension of Fe – Mn and Fe – S melts. Izvestiya AN SSSR. Otdelenie tekhnicheskikh nauk. Metallurgiya i toplivo. 1960, vol. 2, pp. 49–52. (In Russ.).Nakamoto M., Tanaka T. Estimation of activity coefficient of solute in infinite dilute liquid iron based on surface tension of binary liquid Fe alloys // Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 2019. Vol. 105. No. 3. P. 53 – 57.Nakamoto M., Tanaka T. Estimation of activity coefficient of solute in infinite dilute liquid iron based on surface tension of binary liquid Fe alloys. Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 2019, vol. 105, no. 3, pp. 53–57.Wang J., Bian M., Ma L. Composition in surface of liquid Fe–Mn and Fe–S systems //Acta Metallurgica Sinica. 1986. Vol. 22. No. 3. P. a270 – a274.Wang J., Bian M., Ma L. Composition in surface of liquid Fe – Mn and Fe – S systems. Acta Metallurgica Sinica. 1986, vol. 22, no. 3, pp. a270–a274.Keene B.J. Review of data for the surface tension of iron and its binary alloys // International Materials Reviews. 1988. Vol. 33. No. 1. P. 1 – 37.Keene B.J. Review of data for the surface tension of iron and its binary alloys. International Materials Reviews. 1988, vol. 33, no. 1, pp. 1–37.Гедгагова М.В., Гукетлов Х.М., Кумыков В.К. и др. О высоко- температурных измерениях поверхностного натяжения металлов в условиях вакуума // Известия РАН. Серия физическая. 2007. № 5. С. 631 – 633.Gedgagova M.V., Guketlov Kh.M., Kumykov V.K., Manukyants A.R., Sergeev I.N., Sozaev V.A. High-temperature measurements of surface tension of metals in vacuum. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2007, vol. 71, no. 5, pp. 608–610.Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л. Усовершенствованный метод лежащей капли для определения поверхностно- го натяжения жидкостей // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 2. С. 193 – 197.Direktor L.B., Zaichenko V.M., Maikov I.L. Improved method of sessile drop for determining the surface tension of liquids. Teplofizika vysokikh temperatur. 2010, vol. 48, no. 2, pp. 193–197. (In Russ.).Островский О.И., Григорян В.А., Вишкарев А.Ф. Свойства ме- таллических расплавов. – М.: Металлургия, 1988. – 304 с.Ostrovskii O.I., Grigoryan V.A., Vishkarev A.F. Svoistva metallicheskikh rasplavov [Properties of metallic melts]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 304 p.Chikova O., Sinitsin N., Vyukhin V., Chezganov D. Microheterogeneity and crystallization conditions of Fe–Mn melts // Journal of Crystal Growth. 2019. Vol. 527. Article 125239.Chikova O., Sinitsin N., Vyukhin V., Chezganov D. Microheterogeneity and crystallization conditions of Fe – Mn melts. Journal of Crystal Growth. 2019, vol. 527, аrticle 125239.Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. – М.: Металлургия, 1994. – 440 с.Popel’ S.I. Poverkhnostnye yavleniya v rasplavakh [Surface phenomena in melts]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 440 p. (In Russ.).Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. – М.: Гостехиздат, 1957. – 491 с.Semenchenko V.K. Poverkhnostnye yavleniya v metallakh i splavakh [Surface phenomena in metals and alloys]. Moscow: Gostekhizdat, 1957, 491 p. (In Russ.).Физическая химия неорганических материалов / В.Н. Еремен- ко, М.И. Иванов, Г.М. Лукашенко и др. / Под общ. ред. В.Н. Еременко Т. 2. – Киев: Наукова думка, 1988. – 192 с.Eremenko V.N., Ivanov M.I., Lukashenko G.M., etc. Fizicheskaya khimiya neorganicheskikh materialov: T. 2 [Physical chemistry of inorganic materials: Vol. 2]. Eremenko V.N. ed. Kiev: Naukova dumka, 1988, 192 p. (In Russ.).Корольков А.М. Поверхностное натяжение алюминия и его сплавов // Известия академии наук СССР. Отделение технические науки. 1956. № 2. С. 35 – 42.Korol’kov A.M. Surface tension of aluminum and its alloys. Izvestiya akademii nauk SSSR. Tekhnicheskie nauki. 1956, no. 2, pp. 35–42. (In Russ.).Ниженко В.И., Еременко В.Н. О поверхностной активности металлов в жидких металлах // Порошковая металлургия. 1964. № 2. С. 11 – 18.Nizhenko V.I. Eremenko V.N. Surface activity of metals in liquid metals. Poroshkovaya metallurgiya. 1964, no. 2, pp. 11–18. (In Russ.).Фоменко В.С. Эмиссионные свойства химических элементов и их соединений. Справочник / Под ред. чл.-кор. АН УССР Г.В. Самсонова. – Киев: Наукова думка, 1964. – 104 с.Fomenko V.S. Emissionnye svoistva khimicheskikh elementov i ikh soedinenii. Spravochnik [Emission properties of chemical elements and their compounds]. Samsonov G.V. ed. Kiev: Naukova dumka, 1964, 104 p. (In Russ.).Сумм Б.Д. Новые корреляции поверхностного натяжения с объемными свойствами жидкости // Вестник МГУ. Сер. 2. Хи- мия. 1999. Т. 40. № 6. С. 400 – 405.Summ B.D. New correlations of surface tension with volume properties of liquids. Vestnik Moskovskogo Universiteta Seriya 2 Khimiya. 1999, vol. 40, no. 6, pp. 400–405. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.