第八章---冶金材料物性测定

黏度,研究高温熔体的黏度，不仅能为冶金生产提供必要的参数，而且也有助于揭示高温熔体微观结构。液体流动时所表现出来的粘滞性，是流体各部分质点间在流动时所产生内摩擦力的结果。在液体内部，可以想象有无数多互相平行的液层存在，在相邻二液层间若有相对运动时，由于分子间力的存在，则沿液层平面产生运动阻力，这样作用就是液体的内摩擦力，这种性质就是液体的黏性。,第八章冶金材料物性测定,8.1熔体黏度的测定8.1.1黏度定义8.1.2测定方法8.2表面张力测定8.3密度测定,3.1.2黏度的测定方法细管法旋转柱体法扭摆振动法垂直振动法升球法,在液体黏度的测定方法中，均以层流状态为理论基础。主要有以下几种方法：细管法旋转柱体法扭摆振动法垂直振动法升球法,第八章冶金材料物性测定,8.1熔体黏度的测定8.1.1黏度定义8.1.2测定方法8.2表面张力测定8.3密度测定,1.细管法泊肃叶定律,适于测量黏度值范围在102Pas以下的熔体，是以泊肃叶定律为理论基础的测定液体黏度的方法。根据泊肃叶定律式中：动力黏度，Pas；R管道的内半径，m；L选取流体元的长度，m；选取流体元左右两端的压力差，Pa。在t时间流体流过的总体积式(8.1)指出了流体在管内流动时体积流量与流体黏度的关系。,(8.1),第八章冶金材料物性测定,1.细管法1）水平毛细管黏度计2）垂直毛细管黏度计,装置8-1用石英玻璃制成，毛细管2内径为0.4mm，长为175mm，3为已知容积。如测金属黏度，首先由7将金属试样加到样品容器5内，打开真空活塞6将体系抽至真空，然后将装置伸入高温炉4的恒温带中加热，待样品熔化并达到所需温度恒温后，倾斜炉体，使金属熔体流经3和2而进入1。然后向相反方向倾斜炉体，使金属熔体重新流回已知容积3，通过炉子另一端石英窗观察，使液面略高于已知容积上部刻线a后，立即将炉子恢复水平，此时金属熔体靠自身重力而流人毛细管，用秒表准确记录熔体液面流经已知容积3上下刻线加所需的时间t，由（8.2）式可求得熔体的黏度值。,第八章冶金材料物性测定,式中：R毛细管半径；V已知容积；t熔体流过已知容积的时间熔体密度；L毛细管长度；m，n修正系数；g重力加速度；H试料下落高度。,第八章冶金材料物性测定,1.细管法1）水平毛细管黏度计2）垂直毛细管黏度计,(8.2),垂直毛细管黏度计,装置8-2用耐热玻璃制成。试料在玻璃容器底部熔化，用负压将熔体抽进毛细管和熔体储存器中。熔体吸入高度用铂接点探针3和4指示。当去掉负压后，熔体靠自身重力下降。若事先准确测定储存器的容积并测得熔体流过该容积的时间，便可用公式（8.2）计算熔体在该温度下的黏度值。,1.细管法1）水平毛细管黏度计2）垂直毛细管黏度计,第八章冶金材料物性测定,2.旋转柱体法,方法原理旋转柱体法装置是由两个半径不等的同心体（或圆筒）组成，如图8-3所示。外柱为空心圆筒（坩埚）。在内外柱体之间充以待测黏度的液体，当外力使二柱体之一匀速转动而另一柱体静止不动时，则在两柱体之间的径向距离上的液体内部出现了速度梯度，于是在液体内部便产生了内摩擦。由于内摩擦力作用，在旋转柱体上加一个切应力，利用测量此应力可计算液体的黏度值。,旋转柱体法,第八章冶金材料物性测定,2.旋转柱体法,用旋转柱体法测量黏度要求（1）体液应处于层流状态（2）样品必须均匀（3）液体与内外柱体间无滑动摩擦（4）无化学反应,第八章冶金材料物性测定,2.旋转柱体法1)内柱体旋转法2)外柱体旋转法,内柱体旋转法装置8-4测量黏度公式：式中d1，d2内外柱体直径m，使内柱体旋转的荷重质量f，旋转机构的摩擦力r，连接滑轮半径N，内柱体旋转速度g，重力加速度h，内柱体浸没深度式中除了（m-f），N外其他参数均可用已知黏度液体标定。适于测定5107Pas范围内高黏度的液体黏度，精度可达5.2。,(8.3),第八章冶金材料物性测定,2.旋转柱体法1)内柱体旋转法2)外柱体旋转法,所谓外旋转柱体，就是指盛熔体的坩埚，故这种方法也称为坩埚旋转法，图8-5是外旋转柱体法装置图。当外柱体以外力加一转矩使其以一定角速度w转动时，则由于液体的内摩擦力而施加于内柱体以扭转力矩，使吊丝发生扭转。当内柱体所受的扭转力矩与吊丝的平衡扭矩相等时，则吊丝的扭转角度不变，可计算出液体黏度。,第八章冶金材料物性测定,3.1.2.2旋转柱体法内柱体旋转法外柱体旋转法,外旋转柱体法测量液体黏度公式式中，吊丝扭转角度G，吊丝弹性系数JP，吊丝极性惯量矩，l，吊丝长度d，吊丝直径R，r，外内柱体半径h，内柱体浸没深度式中除了，外其他参数均可用已知黏度液体标定。要求保证内外柱体的同轴性。,(8.4),第八章冶金材料物性测定,2.旋转柱体法1)内柱体旋转法2)外柱体旋转法,3.扭摆振动法,对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。8-6是阻尼振动示意图。，用一根弹性吊丝，上端固定不动，下端挂一重物，成一悬吊系统。当绕轴线外加一力矩使吊丝扭转某一角度，去掉力矩后，则重物在吊丝弹性力作用下，绕轴线往复振动。若介质摩擦与吊丝自身内摩擦力不计，则系统做等幅的简谐振动，即每次振动的最大扭转角不变。若将重物深入液体中，上述振动状态受到液体内摩擦力的阻尼作用，迫使振幅逐渐衰减，直至振幅为零而振动停止。通过振幅测量计算对数衰减率是扭摆振动法测量液体黏度的基础。,第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法,柱体扭摆振动法圆盘扭摆振动法球体扭摆振动法坩埚扭摆振动法对于低黏度液体（如液态金属和熔盐）黏度的测定，广泛采用扭摆振动黏度基于阻尼振动的对数衰减率与阻尼介质黏度的定量关系。,第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法1)柱体扭摆振动法2)圆盘扭摆振动法3)球体扭摆振动法4)坩埚扭摆振动法,8-7是柱体扭摆振动法装置示意图。用一弹性吊丝，上端固定不动，下端悬挂惯性体、连杆和柱体，连杆上固定一反射镜。柱体插入盛在圆筒形坩埚的液体试料中，坩埚置于高温炉内加热到实验温度。用外力给悬吊系统以外力矩，使吊丝发生扭转，达一定角度后，去掉外力矩，柱体便在吊丝扭力、系统转动惯量和试料对柱体的黏制阻力作用下，作阻尼衰减振动。,图87柱体扭摆振动法示意图,第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法1)柱体扭摆振动法2)圆盘扭摆振动法3)球体扭摆振动法4)坩埚扭摆振动法,式中：液体部度；对数衰减率；I系统的转动惯量；D单位扭转的转矩；K常数。可测的黏度的范围约为0.005180Pas。,(8.5),第八章冶金材料物性测定,3.1.2.3扭摆振动法柱体扭摆振动法圆盘扭摆振动法球体扭摆振动法坩埚扭摆振动法,使用高熔点金属或耐火材料做成圆盘，用连杆连接后浸入高温待测熔体中，8-8为此法悬吊系统二图例圆盘扭摆振动法计算黏度公式圆盘在熔体中对数衰减率0圆盘在空气中的对数衰减率c1、c2、c3仪器常数，与圆盘浸没深度和端面缝隙大小有关。一般用已知黏度液体进行标定。此法适用于大部分液态金属和熔盐。测量时要特别注意连杆与液面接触处不应有氧化层与浮渣。,(8.6),第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法1)柱体扭摆振动法2)圆盘扭摆振动法3)球体扭摆振动法4)坩埚扭摆振动法,3.1.2.3扭摆振动法柱体扭摆振动法圆盘扭摆振动法球体扭摆振动法坩埚扭摆振动法,使用高熔点金属或耐火材料做成球体，用连杆连接与吊丝连接，吊丝上端不动，组成一悬吊系统。用外力矩使球体扭摆，球体在熔体的黏制阻力作用下作阻尼衰减振动。测定其对数衰减率以计算熔体黏度。球体扭摆振动法计算黏度公式圆盘在熔体中对数衰减率0圆盘在空气中的对数衰减率振动周期熔体密度c1、c2、c3仪器常数，与圆盘浸没深度和端面缝隙大小有关。一般用已知黏度液体进行标定。,(8.7),第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法1)柱体扭摆振动法2)圆盘扭摆振动法3)球体扭摆振动法4)坩埚扭摆振动法,3.1.2.3扭摆振动法柱体扭摆振动法圆盘扭摆振动法球体扭摆振动法坩埚扭摆振动法,8-9是坩埚扭摆振动法的装置示意图。在测定黏度时，用外力矩使悬吊坩埚扭摆启动，当振动达一定振幅后去掉外力矩，开始扭摆振动，由于熔体的内摩擦力作用，系统作阻尼振动，其对数衰减率与熔体黏度保持一定的关系，于是便可通过系统对数衰减率的测定，计算出熔体的黏度值。黏度测量范围为0.lmPas50mPas。,第八章冶金材料物性测定,3.扭摆振动法1)柱体扭摆振动法2)圆盘扭摆振动法3)球体扭摆振动法4)坩埚扭摆振动法,4.升球法,8-10是拉球法装置，该法是基于测量小球在粘性流体中的运动速度获得黏度。基本公式是斯托克斯公式式中：mb，m1分别为小球的质量及小球所排开的同体积熔体的质量；g重力加速度；r小球的半径；v小球在黏性流体中的运动速度。,(8.8),第八章冶金材料物性测定,4.升球法,对于相对测量，上式可写成式中：m天平右盘所加的砝码质量；t小球移动一定距离的时间；K仪器常数，用标样标定得到。小球上升一定距离所需的时间等于天平指针从左边某一位置偏转到右边某一位置的时间。,(8.9),第八章冶金材料物性测定,8.2表面张力测定8.2.1表面张力的定义8.2.2测定方法,表面张力的定义：液体表面层的质点（分子、原子或离子）受到一个指向液体内部的合力的作用，若要增大液体的表面积，就要反抗这个指向液体内部的合力而作功。可见，液体表面层的质点比内部的质点具有较多的能量，这个多余的能量称为表面能。它也可以看成液体表面经受有切向力的作用，该切向力力图使表面积缩小，这种切应力称做表面张力，其单位是N/m或mN/m，并用表示。任何两相间的界面都存在着这样的表面张力，习惯上将凝聚相与气相之间的这种力称做表面张力，而两凝聚相之间的这种力则称作界面张力。,第八章冶金材料物性测定,8.2表面张力测定8.2.1表面张力的定义8.2.2测定方法,表面张力是熔体的重要物理性质之一。在金属的冶炼过程中，液态金属、熔渣、熔盐和熔锍的表面性质，以及它们之间的界面性质，在许多情况下都起着非常重要的作用。下面就介绍几种测定熔体表面张力的方法。动力学方法：是以测量某一过程特征的数值来计算表面张力。静力学方法：是以测量某一状态下的某些特定数值来计算表面张力。,第八章冶金材料物性测定,8.2表面张力测定8.2.1表面张力的定义8.2.2测定方法,动力学方法包括：毛细管波法、振动滴法静力学方法包括：毛细管上升法、拉筒法、气泡最大压力法、静滴法、悬滴法、滴重法等通常对液态金属熔盐和熔渣，常用的是气泡最大压力法和静滴法。对硅酸盐玻璃体系常用拉筒法和滴重法。,第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法1.气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程,原理如图8-111.将毛细管插入液体一定深度h；2.向毛细管缓缓吹气，管内液体被排出管外，随后在管口处形成气泡并不断长大。3.气泡在成长过程中，其内部压力P与液体静压力及液体表面张力的合力保持动态平衡，直至这种平衡被破坏，气泡脱离管口而浮出液面。,第八章冶金材料物性测定,3.2.2测定方法气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程3.2.4静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,设液体密度为，表面张力为，气泡半径为r,应有下面关系式成立：,所示3种气泡状态，只有状态2的气泡半径为最小，此时气泡半径与毛细管半径r相等，显然气泡内压力达到最大值，即,(8.10),(8.11),第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法1.气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程,3.2.2测定方法气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程3.2.4静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,式中是压力计中液柱高度，是压力计中工作液体的密度。气泡内最大压力将是,(8.12),第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法1.气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程,如果用开口液体压力计来测定气体的压力，,(8.13),3.2.2测定方法气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,气泡最大压力法的装置由高温炉、毛细管及其升降机构、测压设备和气体净化部分四部分组成，如图8-12所示：,第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法1.气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程,3.2.2测定方法气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程3.2.4静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,1.加热2.送管3.调阀4.读数5.送管6.读数,第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法1.气泡最大压力法1）原理2）装置图3）实验过程,8.2.2测定方法2.静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,静滴法可用于测定熔体表面张力和密度，也可测定熔体与固体之间的接触角。由于静滴法装置相对于气泡最大压力法装置易于抽真空，同时该法要求水平垫片材质与被测熔体不润湿。所以，静滴法更适用于液态金属和密度的测定。静滴法的特点是设备易实现高真空，特别适用于液态金属的测定。但对熔渣、熔盐，由于较难找到既不与熔体润湿，又不与熔体反应的垫片，因而应用较少。静滴法的附属设备多，操作和计算均较复杂。,第八章冶金材料物性测定,8.2.2测定方法2.静滴法1）原理2）装置图3）实验过程4）数据处理,液滴在不润湿的水平垫片