液态金属的结构与性质

1、1.1 液态金属的结构液态金属的结构 1.2 液态合金的性质液态合金的性质1.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力第一章第一章 液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质1.1 液态金属的结构、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征、 由物质熔化过程认识液体结构由物质熔化过程认识液体结构、 液态金属结构的理论模型液态金属结构的理论模型 、 实际金属的液态结构实际金属的液态结构 气态结构 液态结构 固态结构一、气体、液体、固体的衍射特征一、气体、液体、固体的衍射特征气体、液体、固体的结构特点气体、液体、固体的结构特点固态结构：平移、对称性特征（长程有序）平移、对

2、称性特征（长程有序）气态结构 ：完全无序为特征完全无序为特征液体：液体： 长程无序长程无序( ( 不具备平移、对称性不具备平移、对称性) ) 近程有序近程有序( ( “游荡游荡”着的局域有序的原子集团，着的局域有序的原子集团， 液体结构表现出局域范围的有序性液体结构表现出局域范围的有序性) )液态金属的衍射结构参数液态金属的衍射结构参数 偶分布函数偶分布函数 g(r) 平均原子间距平均原子间距 r1 径向分布函数径向分布函数 配位数配位数 N1一、气体、液体、固体的衍射特征一、气体、液体、固体的衍射特征 偶分布函数偶分布函数 g(r) g(r) 物理意义：距某一参考粒子物理意义：距某一参考粒子

3、r r处找到另一个粒子处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点点r = 0r = 0）距离为）距离为 r r 位置的原子数密度位置的原子数密度 (r) (r) 对于平均对于平均数密度数密度 o o（=N/V=N/V）的相对偏差）的相对偏差 (r) (r) = = o o g g (r)(r) 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征气体液体晶体 平均原子间距平均原子间距 r1r1： 对液体（或非晶固体），对应于对液体（或非晶固体），对应于g(r)g(r)第一峰第一峰的位置的位置

4、 r = rr = r1 1 表示参考原子至其周围第一配位层各表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距原子的平均原子间距 径向分布函数径向分布函数 RDF RDF ： (radical distribution function） RDF = 4r 2o g(r) 表示在表示在 r 和和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。之间的球壳中原子数的多少。 稍高于熔点时液态碱金属（稍高于熔点时液态碱金属（Li、 Na、 K、Rb、 Cs）的径向分布函数）的径向分布函数 ( RDF )RDF 第一峰之下的积分第一峰之下的积分面积即所谓配位数面积即所谓配位数 N1 RDF= 4r2og(r

5、), atoms /r, （ 求法：求法：RDFRDF第一峰之下的积分面积第一峰之下的积分面积；意义：意义：N N1 1 与与 r r1 1 均描绘了液体的原子排布情况均描绘了液体的原子排布情况drrrgNmrr21)(400配位数配位数N1：参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数CrystalMatter StructureTypeTm(K)Vm / Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.1

6、6Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47表表1-1 金属熔化时典型的体积变化金属熔化时典型的体积变化Vm/VS表表明明液液体体原原子子间间距距接接近近于于固固体体二、由物质熔化过程认识液体结构二、由物质熔化过程认识液体结构( Hb /ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb / HmAl6602.50248069.627

7、.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热）和气化潜热(Hb)表明熔化时只有部分原子键被破坏表明熔化时只有部分原子键被破坏三、三、 液态金属结构的理论模型（自学部分）液态金属结构的理论模型（自学部分）（一）（一） 无规密堆硬球模型无规密堆硬球模型 （二）（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型液态金属结构的晶体缺

8、陷模型（三）（三） 液体结构及粒子间相互作用的理论描述液体结构及粒子间相互作用的理论描述（一）无规密堆结构中五种多面体间隙（一）无规密堆结构中五种多面体间隙三角棱柱多面体三角棱柱多面体阿基米德反棱柱多面体阿基米德反棱柱多面体四方十二面体四方十二面体四面体四面体八面体八面体 微晶模型：微晶模型： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接阵，这些微晶体之间以界面相连接（二）、液体的缺陷模型（二）、液体的缺陷模型空穴模型：空穴模型： 金属晶体熔化时，在晶体网格

9、中形成大金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小位错模型：位错模型： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不含位错的固体点阵结构

10、由于高密度位错的突然出现而含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。变成液体。“能量起伏能量起伏” 原子间能量不均匀性原子间能量不均匀性 “结构起伏结构起伏”液体中大量不停液体中大量不停“游动游动”着的着的局域有序原子团簇局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏时聚时散、此起彼伏 “浓度起伏浓度起伏” 同种元素及不同元素之间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现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。四、四、 液

11、态金属的结构特征液态金属的结构特征概述概述1.2 液态金属的性质液态金属的性质当液态金属在外力作用下流动时，由于分子间存当液态金属在外力作用下流动时，由于分子间存在内聚力，因此使液体内部产生内摩擦力，以阻在内聚力，因此使液体内部产生内摩擦力，以阻碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为粘滞粘滞性，用黏度表征性，用黏度表征液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流动性等有重要影响，因此动性等有重要影响，因此黏度关系到铸件的成形质量黏度关系到铸件的成形质量.oV5V4V3V2V1YXZ外力作用于液体表面各原子层速

12、度外力作用于液体表面各原子层速度 dydVX一、液态金属的粘度一、液态金属的粘度 1. 1. 定义定义 粘度系数粘度系数2. 2. 物理意义：物理意义：反映液体内摩擦的大小反映液体内摩擦的大小 运动粘度为动力粘度除以密度，即：运动粘度为动力粘度除以密度，即： 运动粘度运动粘度 适用于较大外力作用下的水力学流适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略。可以忽略。 动力粘度动力粘度 在外力作用非常小的情况下适用，在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力如夹杂的上浮过程和凝固过程中的

13、补缩等均与动力粘度系数粘度系数 有关。有关。/粘度数学模型粘度数学模型TkUkTBexp203K b Bolzmann常数；常数；U 无外力作用时原子之间的结合能无外力作用时原子之间的结合能0 原子在平衡位置的振动周期（对原子在平衡位置的振动周期（对 液态金属约为液态金属约为10-13秒）秒） 液体各原子层之间的间距液体各原子层之间的间距2.2.粘度的影响因素粘度的影响因素粘度粘度随原子间结合能随原子间结合能U按指数关系增加按指数关系增加液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；粘度也就越高；粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低（成

14、反比）增大而降低（成反比）实际金属液的原子间距实际金属液的原子间距也非定值，温度升高，也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，原子热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；随之下降；黏度黏度本质：本质：原子原子间结间结合力合力与温度与温度T T的关系受两方面，总的趋势随温度的关系受两方面，总的趋势随温度 T T而下降（见而下降（见图图1-91-9）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响影响TkUkTBexp203非金属夹杂物的数量、状态和分布情况对合金液非金属夹杂物的数量、状态和分布情况对合金液粘度的粘度的影响影响 温度对粘度的影响温度对粘度的影响图

15、图1 19 9 液体的粘度与温度的关系液体的粘度与温度的关系 a a）液态镍）液态镍 b b）液态钴）液态钴 M-H（Moelwyn-Hughes）模型： 1 1纯溶剂的粘度；纯溶剂的粘度； 2 2溶质的粘度；溶质的粘度； X X1 1、X X2 2 分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的molemole分数，分数，R R为气体常数，为气体常数，H Hm m 为两组元的混合热。为两组元的混合热。RTHXXm21)(2211合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响合金组元（或微量元素）对合金液粘

16、度的影响若混合热若混合热HmHm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（ Hm Hm为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高提高若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间明显高于纯溶剂金属液的粘

17、度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键较强的化学结合键RTHXXm21)(2211非金属夹杂物对合金液粘度的影响非金属夹杂物对合金液粘度的影响非金属夹杂物的数量、状态和分布情况在不同非金属夹杂物的数量、状态和分布情况在不同程度上影响合金液的粘度。程度上影响合金液的粘度。液态合金中呈固态液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的黏度增加的非金属夹杂物使液态金属的黏度增加，如钢，如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅等。主要是因为中的硫化锰、氧化铝、氧化硅等。主要是因为夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时内摩擦力增加，夹杂物越多，系，液相流

18、动时内摩擦力增加，夹杂物越多，对黏度影响越大。但是，对黏度影响越大。但是，有些熔点低的杂质在有些熔点低的杂质在液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属的黏度降低。的黏度降低。3. 3. 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: :黏度对液态金属充型速度的影响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流体的流动状态由雷诺数ReRe来决定，来决定，当当Re2320Re2320时，流体以紊流方式流动时，流体以紊流方式流动。实际应用：实际应用：一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，只在腔的细

19、薄部位，或在充型后期，流速流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降，才出现层流。下降，才出现层流。紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型黏度对流动阻力的影响黏度对流动阻力的影响对液态金属对流的影响对液态金属对流的影响产生对流的条件：温差和浓度差温差和浓度差浮力浮力黏滞力黏滞力对流强度：格拉晓夫数rL LrL C动力黏度越动力黏度越大，则对流大，则对流强度越小强度越小液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的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。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

20、到冷端距离的一半宽度。对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响斯托克斯公式：g(液液- -杂杂) )r r/ /99仅当仅当杂杂液液，夹杂才能上浮，夹杂才能上浮，越大，夹杂越大，夹杂及气泡越难以排除及气泡越难以排除粘度对成形质量的影响粘度对成形质量的影响 影响铸件轮廓的清晰程度；影响铸件轮廓的清晰程度； 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： 对焊缝的质量的影响。对焊缝的质量的影响。粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响 在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直在薄壁铸件的铸造过程中，流

21、动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流，径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流，粘度影响铸件轮廓的清晰程度粘度影响铸件轮廓的清晰程度消除方法：消除方法：应适当提高过热度或者加入表面活应适当提高过热度或者加入表面活性物质，降低液体的粘度性物质，降低液体的粘度影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向 由于凝固收缩形成压由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。响到铸件的质量。影响精炼效果及夹杂或气孔的形成影响精炼效果及夹杂或气孔的形成 金属液各种精炼工

22、艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒细化效果；减轻区域偏析细化效果；减轻区域偏析 StokesStokes 公式的应用公式的应用n 由上式可见由上式可见

23、, ,液体的粘度愈大液体的粘度愈大, ,杂质半径愈小杂质半径愈小, ,液体与杂质的液体与杂质的密度差愈小密度差愈小, ,杂质沉浮速度愈慢杂质沉浮速度愈慢, ,留在铸件中的可能行就大留在铸件中的可能行就大n防止措施：适当提高金属液的过热度，以降低粘度，加快防止措施：适当提高金属液的过热度，以降低粘度，加快夹杂物和气泡的上浮速度夹杂物和气泡的上浮速度二、液态合金的表面张力二、液态合金的表面张力 在铸造合金熔化、浇注、凝固与成形过程中在铸造合金熔化、浇注、凝固与成形过程中，存在许多界面问题，如精炼剂、孕育剂和变质，存在许多界面问题，如精炼剂、孕育剂和变质剂与合金熔体之间，合金固体与液体之间等。剂与合

24、金熔体之间，合金固体与液体之间等。 表面表面液体或固体同气体间的界面液体或固体同气体间的界面 表面张力是表面上平行于表面切线方向表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。且各方向大小相等的张力。 1 1 表面张力的实质及产生的原因表面张力的实质及产生的原因 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。均所造成。由于液体或固体的表面原子受内由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，

25、物体倾向于减小其部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。表面积而产生表面张力。 张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用微小体积系统会显示很大的作用2 2、表面自由能与表面张力的关系、表面自由能与表面张力的关系表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面积表面时的自由能增量。积表面时的自由能增量。 设恒温恒压下，表面自由能增量设恒温恒压下，表面自由能增量 ，表面自由，表面自由能为能为 , ,使表面使表面S S面积时，外界对系统做功为面积时，外界对系统做功为bGSWSG

26、bSWbGSW 表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可以互换概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。3、表面与界面表面与界面界面界面任意两相的交界面任意两相的交界面表面与界面的差别在于后者泛指表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交两相之间的交界面界面，而前者特指，而前者特指液体（或固体）与气体之液体（或固体）与气体之间的交界面间的交界面，但更严格说，应该是指液体或，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。表面能和表面张力是固体与其蒸汽

27、的界面。表面能和表面张力是界面能和界面张力的特例界面能和界面张力的特例界面能和界面张力的表达式界面能和界面张力的表达式ABBAABWBA,A、B两物体的表面张力两物体的表面张力ABW两个单位面积界面系向外做的功或者将两个界面结两个单位面积界面系向外做的功或者将两个界面结合（拆开）外界所做的功合（拆开）外界所做的功当两相间的作用力大时，当两相间的作用力大时，越大，则界面张力越小越大，则界面张力越小ABW4 4 、表面张力与润湿角、表面张力与润湿角润湿润湿角是衡量界面张力的标志角是衡量界面张力的标志 LGLSSGcoscosLGLSSGSGSG为固为固气界面张力；气界面张力； LSLS为液为液固界

28、面张力；固界面张力； LGLG为液为液气界面张力气界面张力润湿润湿角：角：液相与固相的接触点处液固界面和液态表面切线液相与固相的接触点处液固界面和液态表面切线的夹角的夹角 润湿角通常用座滴法实验来测定，即将液体滴在光滑的润湿角通常用座滴法实验来测定，即将液体滴在光滑的固体表面上，达到平衡后，从液滴侧面记录其形态，然后测固体表面上，达到平衡后，从液滴侧面记录其形态，然后测量润湿角。量润湿角。界面的润湿性界面的润湿性a) a) 完全润湿完全润湿 b) b) 润湿润湿 c) c) 不润湿不润湿 d) d) 完全不润湿完全不润湿润湿和不润湿的区别润湿和不润湿的区别以及决定因素以及决定因素 取决于接触物

29、质之取决于接触物质之间的间的界面张力界面张力LGLSSGcos影响金属表面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。影响金属表面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。1) 1) 熔点熔点 表面张力的实质是质点间的作用力，故原子间表面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。降结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。降低颗粒半径能够降低金属的熔点。低颗粒半径能够降低金属的熔点。 5、影响表面张力的因素影响表面张力的因素2) 2) 温度温度表面张力与温度的关系表面张力与温度的关系随着液体金属温度的升高，液体金属表面张力下降。对大多随着液体金属温

30、度的升高，液体金属表面张力下降。对大多数液体金属和合金，表面张力与温度呈线性关系。因温度升数液体金属和合金，表面张力与温度呈线性关系。因温度升高高, ,原子热能增加，热运动剧烈，原子间距变大，原子热能增加，热运动剧烈，原子间距变大，致使表面致使表面质点的受力不对称性减弱，因而表面张力下降。当液体金属质点的受力不对称性减弱，因而表面张力下降。当液体金属温度升高到临界温度时，气液两相界面消失，液体表面张力温度升高到临界温度时，气液两相界面消失，液体表面张力为零。为零。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。

31、力反而增加。其原因尚不清楚。TTKMC3213) 3) 溶质元素溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影响分二溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素表面活性元素（削弱原（削弱原子间结合力），如钢液和铸铁液中的子间结合力），如钢液和铸铁液中的S S即为表面活性元素，即为表面活性元素，也称也称正吸附元素正吸附元素。提高表面张力的元素叫。提高表面张力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素负吸附元素。 加入某些溶质能改变金属表面张力，主要是因为加入溶质加入某些溶质

32、能改变金属表面张力，主要是因为加入溶质后改变了熔体表面的力场分布不对称性程度。一种溶质对于后改变了熔体表面的力场分布不对称性程度。一种溶质对于某种金属来说，其表面活性或者非表面活性程度可用某种金属来说，其表面活性或者非表面活性程度可用GibbsGibbs吸附公式描述吸附公式描述GibbsGibbs吸附公式吸附公式dCdRTC单位面积液体内多吸附或少吸附的溶质量单位面积液体内多吸附或少吸附的溶质量C溶质浓度溶质浓度T热力学温度热力学温度R气体常数气体常数0dCd0dCd随着溶质浓度随着溶质浓度C增加，表面张力降低，吸附量为正，增加，表面张力降低，吸附量为正，则溶质为表面活性物质则溶质为表面活性物

33、质随着溶质浓度随着溶质浓度C增加，表面张力上升，吸附量为负，增加，表面张力上升，吸附量为负，则溶质为非表面活性物质则溶质为非表面活性物质金属液的表面张力可以改变金属液的表面张力可以改变铝液中加入第二元素铝液中加入第二元素镁液中加入第二元素镁液中加入第二元素P P、S S、SiSi对铸铁熔对铸铁熔液表面张力的影响液表面张力的影响表面活性元素的应用表面活性元素的应用 在合金中加入少量（或微量）的表面活性在合金中加入少量（或微量）的表面活性元素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表元素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表张力，从而阻碍该相的生长，达到细化该相的目张力，从而阻碍该相的生长，达到细化该

34、相的目的，从而提高合金的机械性能。的，从而提高合金的机械性能。 例：在例：在Al-SiAl-Si（SiSi5%5%）合金中，加入表）合金中，加入表面活性元素面活性元素NaNa、稀土、稀土、SrSr等，使这些表面活性元等，使这些表面活性元素吸附在共晶硅的周围，阻止该相的生长，使片素吸附在共晶硅的周围，阻止该相的生长，使片状共晶硅长成杆状或粒状，细化了合金的组织提状共晶硅长成杆状或粒状，细化了合金的组织提高了合金的力学性能（生产中称为变质处理）。高了合金的力学性能（生产中称为变质处理）。 4 4）原子体积（）原子体积（ 3 3），价电子数），价电子数Z Z32)(4ZeZe原子间距原子间距金属原子

35、价金属原子价电子电荷电子电荷表面张力与表面张力与原子体积（原子体积（ 3 3）成反比，与价电子数）成反比，与价电子数Z Z成正比。成正比。金属原子体积越大，表面张力越小金属原子体积越大，表面张力越小 当溶质原子体积大于溶剂原子体积时，由于造成溶质原当溶质原子体积大于溶剂原子体积时，由于造成溶质原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以降低系统能量。这些富集到表面层的原子，由于其本身体积降低系统能量。这些富集到表面层的原子，由于其本身体积大，表面张力小，从而使整个系统的表面张力降低。大，表面张力小，从而使整个系统的表面张力降低。 原

36、子体积很小的原子，如原子体积很小的原子，如O O、S S、N N等，在金属中容易进等，在金属中容易进到溶剂晶格间隙，使其势能增加，从而被排挤到表面，成为到溶剂晶格间隙，使其势能增加，从而被排挤到表面，成为富集到表面层的活性物质。由于这些原子金属性很弱，自由富集到表面层的活性物质。由于这些原子金属性很弱，自由电子少，因而表面张力小，使表面张力降低。电子少，因而表面张力小，使表面张力降低。（二）（二） 表面张力在材料成形生产技术中的意义表面张力在材料成形生产技术中的意义 在铸造生产中遇到的表面现象很多，如液在铸造生产中遇到的表面现象很多，如液态金属充填铸型、净化、熔剂覆盖等都和表态金属充填铸型、净

37、化、熔剂覆盖等都和表面现象有密切关系。面现象有密切关系。1. 1.界面张力与润湿角界面张力与润湿角接触两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）接触两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。称之为润湿性好。液态金属凝固时析出的固相与液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，已形成的固相易吸收液态原液相的界面能越小，已形成的固相易吸收液态原子而长大，故形核率越高。子而长大，故形核率越高。LSSLLSWLGLSSGcos2. 2.表面张力引起的曲面两侧压力差表面张力引起的曲面两侧压力差( (球形曲

38、面) 设气相内压力为设气相内压力为p1p1，液相内压力为，液相内压力为p2p2，则两相压力差，则两相压力差由压力差产生向上的力为由压力差产生向上的力为prFsin2121ppppbF22由表面张力产生向下的力为由表面张力产生向下的力为sinrb 平衡状态平衡状态21FFpbpr2sin2rp2. 2.表面张力引起的曲面两侧压力差表面张力引起的曲面两侧压力差 对任意曲面：对任意曲面： 液相为凸面时（金属液滴），液滴内部液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：压力大于外部压力：p p1 1p p2 2液相为凹面时（液相中有气泡），气泡液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压

39、力：内部压力小于外部压力：p p1 1p p2 2平面液体平面液体r=r=，附加压力为，附加压力为0 0对柱面（对柱面（r r2 2 ) )：rp2111rrprp2球形曲面球形曲面coscosRrgrhcos2要克服铸型的界面张力，必须增加要克服铸型的界面张力，必须增加一个附加压头，且不小于一个附加压头，且不小于hRP2rPcos2hgP 压压附加压力附加压力静压力静压力为了保证金属充满型腔，克服此附加压力，就需要适当加为了保证金属充满型腔，克服此附加压力，就需要适当加大直浇口高度，或提高浇注温度、预热铸型等措施。大直浇口高度，或提高浇注温度、预热铸型等措施。3. 3.液态金属的充型能力液态

40、金属的充型能力grhcos2合理选用砂型粒度。铸型孔隙大，表面张力小，合理选用砂型粒度。铸型孔隙大，表面张力小，润湿角小，易粘砂；润湿角小，易粘砂；4. 4.防止因附加压力引起铸件黏砂防止因附加压力引起铸件黏砂铸造过程中金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与铸造过程中金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力引起的附加压力有关。通常，金属液与砂型不表面张力引起的附加压力有关。通常，金属液与砂型不润湿，有利于防止金属液侵入砂型毛细管而形成粘砂。润湿，有利于防止金属液侵入砂型毛细管而形成粘砂。但毛细管直径越大、静压头但毛细管直径越大、静压头h越大。越容易产生粘砂。越大。越容易产生粘砂。根据表面

41、张力与静压头的关系，获得机械黏砂的毛细管根据表面张力与静压头的关系，获得机械黏砂的毛细管临界直径临界直径)0 , 1cos,900rD2ghDC4流动性流动性1 1、概念：液态金属本身的流动能力。、概念：液态金属本身的流动能力。 金属自身的流动能力金属自身的流动能力2 2、影响因素：成分、温度、杂质含量及物理性质。、影响因素：成分、温度、杂质含量及物理性质。与外界因素无关。与外界因素无关。3 3、作用：好的流动性利于缺陷的防止：、作用：好的流动性利于缺陷的防止： （1 1）补缩；（）补缩；（2 2）防裂；（）防裂；（3 3）充型；（）充型；（4 4）气体与杂质易上浮。气体与杂质易上浮。1.3

42、液态金属的充型能力液态金属的充型能力一、一、 液态金属充型能力的基本概念液态金属充型能力的基本概念 1 1、概念：、概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力轮廓清晰铸件的能力。 充型能力弱则可能产生浇不足、冷隔；充型能力弱则可能产生浇不足、冷隔；充型能力过强则可能产生砂眼、铁豆、抬箱，以充型能力过强则可能产生砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。及卷入性气孔、夹砂等缺陷。 2 2、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施 内因：内因：自身流动性自身流动性 外因：外因：型的性质、浇注条件、铸件结

43、构型的性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。等因素的影响，是各种因素的综合反映。充型能力充型能力常见的铸件缺陷常见的铸件缺陷出气口出气口浇口杯浇口杯螺旋试样螺旋试样 试样的结构和铸型性试样的结构和铸型性质固定不变，在相同的条质固定不变，在相同的条件下浇注各种合金的螺旋件下浇注各种合金的螺旋形流动性试样，形流动性试样，以试样的以试样的长度或以试样某处的厚薄长度或以试样某处的厚薄程度程度表示该合金的流动性表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力性表示合金的充型能力合金螺旋形流动性实验合金螺旋形流动性实验合格试样合格试样不合格试样不合格

44、试样二、液态金属停止流动机理二、液态金属停止流动机理 对于对于纯金属、共晶合金及结晶温度范围很窄纯金属、共晶合金及结晶温度范围很窄的合金，在液态金的合金，在液态金属的过热热量未完全消失以前为纯液态流动。随着液体继续向前属的过热热量未完全消失以前为纯液态流动。随着液体继续向前流动，液态金属的温度降至熔点一下，产生一定的过冷度，型壁流动，液态金属的温度降至熔点一下，产生一定的过冷度，型壁处发生非自发形核而结晶，形成凝固壳，且液态金属是由表层逐处发生非自发形核而结晶，形成凝固壳，且液态金属是由表层逐渐向铸型中心凝固。由于已结晶的固体层内表面比较光滑，对液渐向铸型中心凝固。由于已结晶的固体层内表面比较

45、光滑，对液流中心部分流动阻力小，所以液态中心部分继续向前流动。当较流中心部分流动阻力小，所以液态中心部分继续向前流动。当较先结晶部分从型壁向中心生长的晶体相互接触时，金属流动通道先结晶部分从型壁向中心生长的晶体相互接触时，金属流动通道被阻塞，流动停止。被阻塞，流动停止。二、液态金属停止流动机理二、液态金属停止流动机理 对于对于结晶温度范围很宽结晶温度范围很宽的合金，在液态金属的过热热量未完全的合金，在液态金属的过热热量未完全消失以前为纯液态流动。随着液体继续向前流动，液态金属的温消失以前为纯液态流动。随着液体继续向前流动，液态金属的温度降至液相线以下，液流中析出晶体，顺流前进并不断长大。液度降

46、至液相线以下，液流中析出晶体，顺流前进并不断长大。液流前端不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒数最多，使金属液流前端不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒数最多，使金属液的黏度增加，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成的黏度增加，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成一个连续的网格，金属流动通道被阻塞，流动停止。一个连续的网格，金属流动通道被阻塞，流动停止。二、液态金属停止流动机理二、液态金属停止流动机理宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止流动机理示意图流动机理示意图纯金属、共晶成分合金及结晶温度纯金属、共晶成分合金及结晶温度很窄的合金停止流动机理示意图很窄的合金停止流动机理示意图充型

47、能力的计算充型能力的计算充型过程：液体金属的非稳定的流动过程充型过程：液体金属的非稳定的流动过程l = v t 主要是计算流动时间主要是计算流动时间tghv2三、液态金属充型能力的计算三、液态金属充型能力的计算充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条件有关。多条件有关。型浇TTTTCKLPAgHlL)(2K11二、影响充型能力的因素1. 1. 金属性质方面的因素（流动性的高低）金属性质方面的因素（流动性的高低）2. 2. 铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素 浇注条件方面的浇注条件方面的因素因素3. 3. 铸件结构方面铸件结构方面因素因素

48、1. 1. 金属性质方面的因素金属性质方面的因素u 合金成分合金成分u 结晶潜热结晶潜热u 金属的比热容、密度和导热系数金属的比热容、密度和导热系数u 液态金属的黏度和表面张力液态金属的黏度和表面张力 纯金属、共晶和金属间化纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，小，合金液流动时间长，所以流动性好，所以流动性好，具有宽结具有宽结晶温度范围的合金流动性晶温度范围的合金流动性不

49、好；不好；合金成分合金成分其它元素对铸铁流动性的影响其它元素对铸铁流动性的影响（1 1）磷）磷铸铁中磷量增加，液相铸铁中磷量增加，液相线温度下降，铁液粘线温度下降，铁液粘度下降；由于磷共晶度下降；由于磷共晶增加，固相线温度也增加，固相线温度也下降，因此，可以提下降，因此，可以提高流动性。但是，磷高流动性。但是，磷量增加使铸铁变脆。量增加使铸铁变脆。通常不用增加磷量提通常不用增加磷量提高铸铁的流动性。高铸铁的流动性。 （2 2）硅）硅 铸铁中硅的作用和碳相似，硅量增铸铁中硅的作用和碳相似，硅量增加，液相线温度下降。因此，在同加，液相线温度下降。因此，在同一过热度下，铸铁的流动性随硅量一过热度下，

50、铸铁的流动性随硅量增加而提高。增加而提高。 （3 3）锰）锰 锰的质量分数低于锰的质量分数低于0.250.25时，锰本时，锰本身对铸铁的流动性没有影响。但是身对铸铁的流动性没有影响。但是，当含硫量增加时，一方面会产生，当含硫量增加时，一方面会产生较多的较多的MnSMnS夹杂物，悬浮在铁液中夹杂物，悬浮在铁液中，增加铁液的粘度，另一方面，含，增加铁液的粘度，另一方面，含S S量越高，越易形成氧化膜，致使量越高，越易形成氧化膜，致使铁液流动性降低。铁液流动性降低。 在铸件凝固过程中释放出的总热量中，金属的在铸件凝固过程中释放出的总热量中，金属的过热热量仅占过热热量仅占20%20%左右，结晶潜热（约

51、为液态金属热左右，结晶潜热（约为液态金属热量的量的8590%8590%）。）。在金属过热温度较低时，结晶潜热在金属过热温度较低时，结晶潜热对充型能力起决定作用；在金属过热温度较高时，对充型能力起决定作用；在金属过热温度较高时，结晶潜热的作用则下降；结晶潜热对不同合金的流结晶潜热的作用则下降；结晶潜热对不同合金的流动性的影响也不同。动性的影响也不同。 对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金对于纯金属、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，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越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶

52、温度范围的合金潜热对流动性影响不大。的合金潜热对流动性影响不大。结晶潜热结晶潜热Al-Si合金流动性与成分的关系 原因原因 初生初生相是比较规整的相是比较规整的块状晶体，且具有较小块状晶体，且具有较小的强度，不形成坚强的的强度，不形成坚强的网络，能够以液固混合网络，能够以液固混合状态在液相线温度以下状态在液相线温度以下流动，结晶潜热的一发流动，结晶潜热的一发挥。挥。相的结晶潜热为相的结晶潜热为141141kg,kg,比比相约大三倍。此外，如相约大三倍。此外，如图图 表明，和亚共晶合金表明，和亚共晶合金对比，析出相同数量的对比，析出相同数量的固相时，过共晶合金具固相时，过共晶合金具有较高的实际过

53、热度。有较高的实际过热度。 由于较大的结晶潜热而使流动性在过共晶区继续增长的由于较大的结晶潜热而使流动性在过共晶区继续增长的情况，据目前的资料，只有铸铁（石墨的潜热为情况，据目前的资料，只有铸铁（石墨的潜热为383 383 kg,kg,，比铁达，比铁达1414倍），倍），Pb-SbPb-Sb和和Al-Si Al-Si 合金合金金属的比热容、密度和导热系数金属的比热容、密度和导热系数 比热容、比热容、导热系数和导热系数和密度较大的合金，因其本密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。的时间长，流动性好。 导热

54、系数小的合金，热量散失慢，保持流动的导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；时间长；导热系数小，在凝固期间液固并存的两相导热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。区小，流动阻力小，故流动性好。黏度黏度 黏度大、内摩擦力大，降低流速，减小黏度大、内摩擦力大，降低流速，减小流动性。正常浇注时，呈紊流状态，黏度影响流动性。正常浇注时，呈紊流状态，黏度影响小，在充型后期温度降低，黏度增加，转变为小，在充型后期温度降低，黏度增加，转变为层流时，才有较大的影响。层流时，才有较大的影响。表面张力：表面张力：表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿部分和棱角

55、的形成有影响。为克服附加压力的部分和棱角的形成有影响。为克服附加压力的阻碍，必须在正常的充型压头上增加一个附加阻碍，必须在正常的充型压头上增加一个附加压头压头h h液态金属的黏度和表面张力液态金属的黏度和表面张力表面张力表面张力 液态金属充填铸型尖角处的能力除与表面张力有液态金属充填铸型尖角处的能力除与表面张力有关外，还与铸型的激冷能力有关。关外，还与铸型的激冷能力有关。在激冷作用较在激冷作用较大的铸型中，可在合金中加入表面活性元素或采大的铸型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低用特殊涂料，降低 或润湿角或润湿角 。在激冷能力作在激冷能力作用较小或预热的铸型中，如果浇注终了在尖角

56、处用较小或预热的铸型中，如果浇注终了在尖角处合金仍为液态，直浇道中的压头则能克服附加压合金仍为液态，直浇道中的压头则能克服附加压力，而获得足够清晰的铸件轮廓。力，而获得足够清晰的铸件轮廓。 如果液态金属表面上有能溶解的氧化物，如铸铁如果液态金属表面上有能溶解的氧化物，如铸铁和铸钢中的氧化亚铁，则润湿铸型。这时附加压和铸钢中的氧化亚铁，则润湿铸型。这时附加压力是负值，有助于金属液向细薄部分充填，同时力是负值，有助于金属液向细薄部分充填，同时也有利于金属液向铸型砂粒之间的孔隙中渗透，也有利于金属液向铸型砂粒之间的孔隙中渗透，促进铸件表面粘砂的形成。促进铸件表面粘砂的形成。 2 2、铸型性质方面的因

57、素：、铸型性质方面的因素： 铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数 铸型的温度的影响铸型的温度的影响 铸型中的气体的影响铸型中的气体的影响 2、铸型性质方面的因素、铸型性质方面的因素 C C2 22 2-单位体积的铸型在温度升高单位体积的铸型在温度升高11时所吸取的热量。时所吸取的热量。 此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属与铸型之际那在较长时间内保持较大的温差。与铸型之际那在较长时间内保持较大的温差。 2 2铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由温铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由温度较高的型内表面传导到温度较低的

58、度较高的型内表面传导到温度较低的“后方后方”，使铸型参加，使铸型参加蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内表蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内表面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继续面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继续吸取热量的能力。吸取热量的能力。铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b b2 2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。蓄热系数身中热量的能力。蓄热系数b b2 2越大，铸型的激冷能力就越强越大，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。，金属液于其中保持

59、液态的时间就越短，充型能力下降。2222cb82几种铸型材料的蓄热系数几种铸型材料的蓄热系数材料铜铸铁铸钢粘土型砂湿砂锯末烟黑温度202020202020500蓄热系数3.671.341.30.110.230.02960.0076在金属型铸造中，经常采用涂料调整其蓄热系数在金属型铸造中，经常采用涂料调整其蓄热系数b b2 2 。为使金属。为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b b2 2很小的石棉粉。很小的石棉粉。在砂型铸造中，利用烟黑涂料解决大型薄壁铝镁合金铸件的成型在砂型铸造中，利用烟黑涂料解决大型薄壁铝镁合金铸件的

60、成型问题，已在生产中收到效果问题，已在生产中收到效果。 金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数b b2 2是砂型的十倍或数十倍以上，为了使金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在一般的涂料中加入b b2 2很小的石棉粉。很小的石棉粉。 湿砂型的湿砂型的b b2 2是干砂型的是干砂型的2 2倍左右，砂型的倍左右，砂型的b b2 2与造型材料的性质、型砂成分的配比、砂与造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。型的紧实度等因素有关。铸型温度铸型温度 预热铸型能减小