第二章 液态金属的结构与性质.ppt

第二章液态金属的结构与性质,第一章液态金属的结构和性质,第一节固体金属的加热与熔化第二节液态金属的结构第三节液态金属的性质第四节液态金属的充型能力第五节半固态合金的流变性及半固态成形,第一节固体金属的加热与熔化,1.固体金属的热运动由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之间的平衡关系，如图所示,2.金属的熔化,图1金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系图2加热时原子间距和原子势能的变化,金属的膨胀及熔化,能量起伏(内蒸发):空穴的产生,温度愈高，原子的能量愈大，产生的空穴数目愈多，金属膨胀。,第一节固体金属的加热与熔化,金属熔化,（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）金属加热时，Em增加；金属的熔化首先是从晶界开始；当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之间更容易产生相对运动；,晶内,晶界,第一节固体金属的加热与熔化,金属熔化,熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要继续提供能量使原子间的结合进一步破坏；与固态比较：,体积变化：固气：体积无限膨胀；固液：体积35，原子间距11.5；,熔化潜热：仅为升华热的37；,第一节固体金属的加热与熔化,表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）,(,Hb/,表1-2几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb),金属熔化,因此，金属的熔化并不是原子间结合的全部破坏，液体金属内原子的分布仍具有一定的规律性，其结构类似于固态。而不是类似气体，只是原子的热运动加剧。,第一节固体金属的加热与熔化,1.纯金属的液态结构,原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规律性。原子集团时刻在变化；原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”；（解释：大部分金属熔化时电阻率增加？）原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。,“结构起伏”,“能量起伏”,第二节液态金属的结构,2.实际金属的液态结构,原子间结合力不同，产生的起伏,能量起伏,浓度起伏,结构起伏,第二节液态金属的结构,“能量起伏”“结构起伏”液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏“浓度起伏”同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。,1200,1700,1550,1400,A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；,A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;,假如B-B结合力A-A及A-B：吸附甚至分层；,以仅含一种杂质元素为例:,第二节液态金属的结构,2.实际金属的液态结构,1)合金多；2)原材料中存在多种杂质；3)工艺上造成；,实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，是一种“浑浊”液体。,2.实际金属的液态结构,第二节液态金属的结构,1.凝聚理论：把液体看做稠密气体，用动力动力学理论来解释液体金属结构。2.点阵理论：在晶体点阵中引入各种缺陷来描述液体金属结构。3.几何理论：球体密集堆积。,3.液态金属结构理论,第二节液态金属的结构,第三节液态金属的性质,物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等；物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等；热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它,1.熔点和熔化潜热确定熔炼和浇铸温度2.沸点和蒸发热熔点和沸点无直接关系，利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损量，蒸发热远高于熔化热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。3.比容热比热容小，结晶时铸件断面温差大，容易出现集中缩孔。4.导热性导热性好，冷却速度快，金属断面温度梯度小，热应力小。5.热膨胀和体积收缩率绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后体积变小，密度增大。6.扩散系数,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,黏滞性;黏度:牛顿流体:动力黏度物理意义:,当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力;,=F(x)/(Sdvx/dy),第三节液态金属的性质,粘滞系数(20kTeU/kT)/3,运动黏度：运动黏度物理意义：,V=/,表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,影响粘度的因素：,温度,T小，指数项比乘数项的影响大，T,T高，乘数项将起主要作用，T,化学成分,粘度本质原子间的结合力（与熔点有共性）状态图,难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度较低；,非金属夹杂物,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,影响粘度的因素：,6.液态金属的黏度,第三节液态金属的性质,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,黏度在材料成形中的作用和意义:,黏度对液态金属充型速度的影响,流体的流动状态由雷诺数Re来决定，当Re2320时，流体以紊流方式流动。,黏度对流动阻力的影响,实际应用：,一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降，才出现层流。,紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型。,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,黏度在材料成形中的作用和意义:,黏度在材料成形中的作用和意义:,对液态金属对流的影响,产生对流的条件：温差和浓度差浮力黏滞力对流强度：格拉晓夫数,rL,rLC,动力黏度越大，则对流强度越小,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有重要影响。,、分别为由温差和浓度差引起的金属液体积膨胀L水平方向上热端到冷端距离的一半宽度。,黏度在材料成形中的作用和意义:,对液态金属净化的影响,斯托克斯公式：,g(液-杂)r/9,仅当杂液，夹杂才能上浮，越大，夹杂及气泡越难以排除,第三节液态金属的性质,6.液态金属的黏度,表面张力的本质,概念：表面，表面张力，表面自由能，界面,W=F,表面张力,第三节液态金属的性质,6.液态金属的表面张力,薄膜宽度为b，收一个绷紧力F，则F=b为表面张力系数，或表面张力（N/m）物理意义：薄膜单位长度上所受的绷紧力。由于力F的作用，薄膜被拉长l，则F对薄膜所做的功W为W=Fl=bl=S做功使得薄膜能量增加E，因此E=W=S则=E/S故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。,表面张力的本质,6.液态金属的表面张力,表面张力引起的附加压力,附加压力：,图,6.液态金属的表面张力,表面张力引起的附加压力,附加压力：2/r通用计算公式：,图,/(r1+r2),方向：,6.液态金属的表面张力,影响表面张力的因素,温度：，,特殊现象（铜和铸铁）；T增大，液体质点距离增加，彼此作用力下降，表面张力减小压力：，,水：0.098MPa=72.8210-39.8MPa=66.4310-3,6.液态金属的表面张力,化学键的影响：金属键离子键范德华力,正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：,影响表面张力的因素,溶质元素：,单位表面积上吸附量的吉布斯公式：,=-c/RTd/dc,单位表面积上较内部多（或少）吸附的溶质的量,d/dc0：,6.液态金属的表面张力,润湿角：,cos(SG-LS)/LG,能润湿；完全润湿；不能润湿；完全不润湿。,6.液态金属的表面张力,表面张力引起毛细现象,毛细现象：具有细微缝隙的固体与液体接触时，液体沿缝隙上升或下降的现象；,图,2/rgh2cos/gr1,在一定温度下，毛细管的半径愈小，液体对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；液体不润湿，则形成凸液面，液面下降,6.液态金属的表面张力,表面张力意义,表面张力对黏砂和充填最小值的影响,机械黏砂的毛细管临界半径：,rc=2LGcos/gh,表面张力对液态金属净化的影响,上浮条件：LSLGSG不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；,cos=(SG-LG)/LG,气泡黏附,6.液态金属的表面张力,表面张力意义,表面张力对液态金属净化的影响,溶剂精炼法：MLSLMS,愈大，对溶剂夹杂越有利,愈小，溶剂越易与熔体分离；,溶剂与熔体分离：,选择熔剂尽量使其与合金的界面张力尽量大，而本身的界面张力尽量小。,6.液态金属的表面张力,作业一：,1试推导/(r1+r2)2画出毛细管现象图（凸液面）；3设钢液与砂型绝对不润湿，钢液的密度为7800kg/m3，表面张力为1.5N/m，求充填直径为5mm的孔时所需的附加压头。计算结果说明什么。4液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和附加压力有何区别？,第四节液态金属的充型能力,1、液态金属充型能力的基本概念2、影响充型能力的因素,液态金属充型能力,液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，这是生产合格铸件的最基本要求。研究充型过程中液态金属在浇铸系统中和铸型型腔中的流动规律是设计浇注系统的重要依据之一；研究液态金属在充型过程中与铸型之间热的、机械的和物理化学作用；在充型不利的情况下，可能产生的缺陷和防止措施。充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。,不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚,液态金属一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的情况，在充型过程中，当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停止。如果停止流动出现在型腔被充满前，则会出现“浇不足”。,液态金属的充型能力取决于：内因金属本身的流动性外因铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。,金属的流动性：液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量、及其物理性质有关。金属的流动性对补缩、防裂有很大影响。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的充填而弥合。,合金的螺旋形流动性实验,在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。1.浇口杯,2.低坝,3.直浇道,4.螺旋5.高坝,6.溢流道,7.全压井,液态金属停止流动机理,在充型过程中，当已形成的固相阻塞充型通道时，液态金属的流动就会停止，其机理取决于结晶区间；,Al和Al-Sn5%合金流动状况比较,液态金属停止流动机理与充型能力,图1-25纯金属、共晶成分合金及结晶温度图1-26宽结晶温度合金停止很窄的合金停止流动机理示意图流动机理示意图,前端析出1520的固相量时，流动就停止。,充型能力强,影响充型能力的因素,1.金属性质方面的因素（流动性的高低）2.铸型性质方面的因素浇注条件方面的因素铸件结构方面的因素,1.金属性质方面的因素,纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，与尚未凝固的液体之间界面分明，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好；,合金的成分,具有宽结晶温度范围的合金，由于铸件断面上存在发达的树枝晶和未凝固的液相体混杂的两相区，越靠近液流的前端，树枝晶越多，金属液的粘度越大，流速下降。当树枝晶达到某一临界值时，金属液就停止流动。合金的结晶温度范围越宽，两相区就越宽，枝晶就越发达，流动性越差。,合金的成分,例：Fe-C合金流动性与成分的关系,合金的成分,磷可使液相线下降，铁水粘度下降，由于磷共晶增加，固相线下降，因此可提供流动性。可用于艺术品。冷脆硅、镍、铜和稀土镁提高铁水流动性。锰、铬降低流动性。,合金的成分,结晶潜热（约为液态金属热量的8590%）：对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金，散失一部分（20%）潜热后，晶粒就连成网格而阻止流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，对流动性影响不大。,结晶潜热,合金液的比热、密度越大，导热系数越小,充型能力越好；一般金属中加入合金元素，都会使导热系数下降。特例：有些元素会形成初生的树枝晶或扩大结晶温度范围。这些会使充型能力下降。合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。,表面张力,为提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：,2、铸型性质方面的因素：,铸型的蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数b2是砂型的十倍或数十倍以上，为了使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。湿砂型的b2是干砂型的2倍左右，砂型的b2与造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。,预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。例如，在金属型中浇铸铝合金铸件，将铸型温度由310提高到520，在相同的浇铸温度（760）下，螺旋线长度则由525mm增加到950mm。用金属型浇注灰铸铁件时，铸型的温度不但影响充型能力，而且影响铸件是否出现白口组织。在熔模铸造中，为得到清晰的铸件轮廓，可将铸型焙烧到800以上进行浇注。,2、铸型性质方面的因素：,铸型具有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，而且造成一层热阻，有利于充型。例如在湿砂中加入6%的水和7%的煤粉时，液态金属的充型能力提高。,2、铸型性质方面的因素：,3、浇注条件方面的因素,浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好；但温度超过界限后，会严重吸气，氧化严重。此外，随着浇铸温度的提高，铸件一次结晶组织粗大，容易产生缩孔、缩松、粘砂、裂纹等缺陷。根据经验，一般铸钢的浇铸温度为15201620，铝合金为680780。充型速度过快，不仅发生喷射和飞溅现象，还是金属产生氧化和铁豆，而且型腔中的气体来不及排出，反压力增加，造成“浇不足”或“冷隔”缺陷。,浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度等也会影响液态金属的充型能力。,3、浇注条件方面的因素,铸件的模数是铸件的体积与其表面积的比值。1.折算厚度（铸件模数）如果铸件的体积相同，在相同的浇铸条件下，折算厚度大的铸件，由于它与铸型的接触面积相对较小，热量散失比较慢，则充型能力较高。铸件的壁越薄，折算厚度就越小，就越不容易被充满。2.铸件的复杂程度铸件的结构复杂，薄厚部分过度面多则型腔结构的复杂程度增加，流动阻力大，充