Поверхностное натяжение и плотность расплавов Fe – Mn

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.

1. Власов В.И., Комолова Е.Ф. Литая высокомарганцовистая сталь Г13Л. Свойства и производство. – М.: Машгиз, 1963. – 195 с.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Zhuang C., Liu J., Mi Z. etc. Non-metallic inclusions in TWIP steel // Steel Research International. 2014. Vol. 85. No. 10. P. 1432 – 1439.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Островский О.И., Григорян В.А., Вишкарев А.Ф. Свойства ме- таллических расплавов. – М.: Металлургия, 1988. – 304 с.

21. 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.

22. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. – М.: Металлургия, 1994. – 440 с.

23. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. – М.: Гостехиздат, 1957. – 491 с.

24. 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.

25. Корольков А.М. Поверхностное натяжение алюминия и его сплавов // Известия академии наук СССР. Отделение технические науки. 1956. № 2. С. 35 – 42.

26. Ниженко В.И., Еременко В.Н. О поверхностной активности металлов в жидких металлах // Порошковая металлургия. 1964. № 2. С. 11 – 18.

27. 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.

28. Сумм Б.Д. Новые корреляции поверхностного натяжения с объемными свойствами жидкости // Вестник МГУ. Сер. 2. Хи- мия. 1999. Т. 40. № 6. С. 400 – 405.