液态金属的结构与性质4669054

1、第一篇第一篇 液态成形理论基础液态成形理论基础第一章 液态金属的结构和性质 目的：分析和控制金属的凝固过程第一节 材料的固液转变第二节 液态金属的结构与分析第三节 液态金属的性质第一节 材料的固液转变一一、 固态、液态、气态的存在、相互转变，固态、液态、气态的存在、相互转变， 在一定的压力下，固态在一定的压力下，固态 气态气态二、二、 固液的转变固液的转变 平衡位置（原子振动）平衡位置（原子振动）温度升高温度升高频率、振幅频率、振幅新新的平衡位置（晶格常数变化、尺寸增大）的平衡位置（晶格常数变化、尺寸增大）加热加热空穴空穴离位原子与空穴离位原子与空穴晶界粘性流动晶界粘性流动金属熔化金属熔化加热

2、加热温度不变、跳跃频繁温度不变、跳跃频繁原子集团、游离原子、空穴原子集团、游离原子、空穴固固态转变为液态态转变为液态 焓、熵焓、熵的变化，固态变成液态时，原子的变化，固态变成液态时，原子规则规则不规则不规则三、三、 液体的分类液体的分类按液体的构成类型和内部作用力可分为：按液体的构成类型和内部作用力可分为：原子液体原子液体（如液态金属、液化惰性气体）（如液态金属、液化惰性气体）分子液体分子液体（如极性与非极性分子液体）（如极性与非极性分子液体）离子液体离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）（如各种简单的及复杂的熔盐） 可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状

3、状 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）； 具有流动性具有流动性 （液体最显著的性质）（液体最显著的性质）； 不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）； 具有自由表面具有自由表面 （类似于固体，不同于气体）（类似于固体，不同于气体）； 液体可压缩性很低液体可压缩性很低（类似于固体，不同于气体）。（类似于固体，不同于气体）。四、液 体 性 质 物理性质物理性质：熔点（熔化温度区间）、沸点、密：熔点（熔化温度区间）、沸点、

4、密度、度、粘度粘度、电导率、热导率和扩散系数等；、电导率、热导率和扩散系数等； 物理化学性质物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、气化潜热、表面张力表面张力等；等； 热力学性质热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它第二节 液态金属的结构与分析 液态金属的结构接近固态金属而远离气态金属液态金属的结构接近固态金属而远离气态金属 晶体：晶体： 平移、对称性特征（长程有序）平移、对称性特征（长程有序） 原子以一定方式周期排列在三维空间的晶原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上格结点上，同时原子

5、以某种模式在平衡位置上作热振动作热振动 气体：气体： 完全无序为特征完全无序为特征 分子、原子不停地作无规律运动分子、原子不停地作无规律运动 液体：液体： 长长 程程 无无 序序(Short Range Ordering) 不具备平移、对称性；不具备平移、对称性； 近近 程程 有有 序序(Short Range Ordering) 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停停“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，液体结构表现出局域范围的有序性构表现出局域范围的有序性 物质熔化时体积变化物质熔化时体积变化熵变熵变(及焓变及焓变)

6、一般均不大一般均不大（见表（见表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（Vm为熔化时的体积增量）为为熔化时的体积增量）为3%左右，表明左右，表明液液体的原子间距接近于固体体的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 金属熔化潜热金属熔化潜热Hm比其气化潜热比其气化潜热Hb小得多小得多（表（表1-2），为，为1/151/30，表明，表明熔化时其内部原子结合键熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏只有部分被破坏。一、液态金属的结构一、液态金属的结构 “能量起伏能量起伏” “结构起

7、伏结构起伏”液体中大量不停液体中大量不停“游动游动”着的局域有序原子团簇着的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，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表现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。二、液态金属结构的二、液态金属结构的X射线衍射分析射线衍射分析 表表1-3液态和固态金属结构比较液态和固态金属结构比较第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质一、液态合金

8、的粘度一、液态合金的粘度二、液态合金的表面张力二、液态合金的表面张力一、液态合金的粘度（一）（一） 液态合金的粘度及其影响因素液态合金的粘度及其影响因素（二）（二） 粘度在材料成形中的意义粘度在材料成形中的意义（一）液态合金的粘度及其影（一）液态合金的粘度及其影响因素响因素1. 1. 液体粘度的定义及意义液体粘度的定义及意义2. 2. 粘度的影响因素粘度的影响因素1.1.液体粘度的定义及意义液体粘度的定义及意义. . . . . .oV5V4V3V2V1YXZ在外力作用下，在外力作用下，第一层速度为第一层速度为V0，最下层与壁面接最下层与壁面接触的液体的速度触的液体的速度为为0，说明层与层，说

9、明层与层之间存在摩擦力之间存在摩擦力 粘度系数粘度系数-简称粘度简称粘度(动力学粘度动力学粘度)，是根据牛顿提，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的：出的数学关系式来定义的： 平行于平行于X方向作用于液体表面方向作用于液体表面 （X-Z面）面） 的外加剪切应力，的外加剪切应力， VX液体在液体在X方向的运动速度，方向的运动速度， dVX/dy表示沿表示沿Y方向的速度梯度。方向的速度梯度。dydVX 表述为：液体流动的速度梯度表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力与剪切应力成正比。液体粘度量纲为成正比。液体粘度量纲为M / LT，常用单位为，常用单位为 PaS 或或 mPaS。 外力作用

10、于液体表面各原子层速度要产生相同的外力作用于液体表面各原子层速度要产生相同的dVX/dy，液体内摩擦阻力越大，即，液体内摩擦阻力越大，即越大，所需越大，所需外加剪切应力也越大。外加剪切应力也越大。 粘度粘度(Viscosity)表达式：与离位激活能表达式：与离位激活能U成正比，成正比，与平均距离的三次方成反比，因此粘度本质上是与平均距离的三次方成反比，因此粘度本质上是原子之间的结合力。原子之间的结合力。TkUkTBexp2032.2.影响粘度的因素影响粘度的因素（一）温度对粘度的影响（一）温度对粘度的影响粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实际增大而降低（成反比）。实际金属液的原

11、子间距金属液的原子间距也非定值，温度升高，原子也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；随之下降；（二）化学成分、杂质对合金液粘度的影响u表面活性元素（如向表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元合金中添加的变质元素素Na）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。非金属夹杂物如硫化锰、氧化铝。使粘度提高。非金属夹杂物如硫化锰、氧化铝。u若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合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，金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，

12、因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。熔点低的共晶成分合金粘度低。熔点低的共晶成分合金粘度低。3.粘度在材料成形中的意义 运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度运动学粘度 适用于较大外力作用下的水力学流动，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可以忽略此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度系数（当采用了运动学粘度系数之后，之后，金和金和水两者近于一致。水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理例如铸件浇注系统的设

13、计计算时，完全可以按水力学原理来考虑）来考虑） 。 动力学粘度动力学粘度 在外力作用非常小的情况下适用，如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粘度系数夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关。有关。/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； 影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧； 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： 熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利有

14、利。u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 在薄壁铸件的铸造在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，动性质属于层流。此时，为降低液体的粘度应适为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入当提高过热度或者加入表面活性物质等。表面活性物质等。u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 由于凝固收缩形由于凝固收缩形成压力差而造成的自成压力差而造成的自然对流均属于层流性然对流均属于层流性质，此时粘度对流动质，此时粘度对流动的影响就会直接影响的影响就会直接影响到铸件的质量。到铸件的质量。

15、u影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧金属液和熔渣的动力学粘度金属液和熔渣的动力学粘度低则有利于扩散的进行，低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素从而有利于脱去金属中的杂质元素。u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 金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱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（如各种氧化物及去金属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和气体，无论是铸件型腔中还是焊硫化物等）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（或二次形成的）接熔池中的金属液，残留的（或二次形成

16、的）夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固前排除出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，破坏金属的连续去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比成反比（流体力学的斯托克斯公式）。（流体力学的斯托克斯公式）。2)(92rgBm粘度粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。u流态对流动阻力的影响流态对流动阻力的影响

17、DvDRe二、二、液态合金的表面张力（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义（一）表面张力的实质及影响因素（一）表面张力的实质及影响因素表面张力及其产生的原因表面张力及其产生的原因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与界面表面与界面影响表面张力的因素影响表面张力的因素1.表面张力及其产生的原因表面张力及其产生的原因 表面张力是表面上平行于表面切线方向且各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。大小相等的张力。 表面张力是由于物体在表面

18、上的质点受力不均所表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力造成。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小，这种受力不均较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起引起表面原子的势能比内部原子的势能高表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。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。的单位面积表面时的自由能增量。表面能及表面张力

19、从不同角度描述同一表面现象。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概念，虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以但都以（或（或）表示，其大小完全相同，单位）表示，其大小完全相同，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力也可以互换，通常表面张力的单位为力/距离距离（如（如N/m、dyn/cm），表面能的单位为能量），表面能的单位为能量/面面积（如积（如J/m2、erg/cm2等）等）。3.表面与界面表面与界面 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两相之间的交界面间的交界面，而前者特指，而前者特指液体（或固体）液体（或固体）

20、与气体之间的交界面与气体之间的交界面，但更严格说，应该，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。张力。4.影响表面张力的因素影响表面张力的因素1 1）表面张力与原子间作用力的关系）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力原子间结合力u0表面内能表面内能表面自由能表面自由能表面表面张力张力（熔点高）（熔点高）2 2）表面张力与温度）表面张力与温度：随温度升高而下降：随温度升高而下降3 3）合金元素或

21、微量杂质元素对表面张力的影响）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响 向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。减小，使表面内能和表面张力降低。 （二）（二） 表面张力在材料成形生产技表面张力在材料成形生产技术中的意义术中的意义 表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，表面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但在微小体积系统会显示很大的作用 界面张力与润湿角界面张力与润湿角 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（毛细管现象）（毛细管现象） 液膜拉断临界力及表面张力对凝固

22、热裂的影响液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）（液膜理论） 1.界面张力与润湿角界面张力与润湿角 接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界接触的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，润湿面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好角越小，称之为润湿性好。 例如：水银与玻璃间及金例如：水银与玻璃间及金属液与属液与SiO2间，由于两者难间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张液固之间

23、，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。力与润湿角就很小。衡量界面张力的标志衡量界面张力的标志润湿角润湿角018090 90液体不能润湿固体液体不能润湿固体绝对湿润绝对湿润绝对不湿润绝对不湿润液体能润湿固体，液体能润湿固体，液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：部压力：p1p2液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压力：于外部压力：p1p22.毛细管现象毛细管现象 rp对任意曲面：对任意曲面： 2111rrp对球形曲面（如液滴）对球形曲面（如液滴）（r1=r2）：）： rp2对

24、柱面（对柱面（r2 )： 表面为平面时（曲率半径为无穷大），表表面为平面时（曲率半径为无穷大），表面张力不产生压力差。当表面具有一定的面张力不产生压力差。当表面具有一定的曲度时，液相中的压力高于气相曲度时，液相中的压力高于气相（p1p2），该压力差值的大小与曲率半），该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。用越显著。 毛细管现象在任意一个管口、裂缝和细孔毛细管现象在任意一个管口、裂缝和细孔中都能出现中都能出现 附加压力与管道半径成反比。当附加压力与管道半径成反比。当r很小时产很小时产生很大的附加压力，影响铸件成形生很大的附加压力

25、，影响铸件成形3液膜拉断临界力及表面张力对凝固液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响热裂的影响 在凝固的后期，在凝固的后期，不同晶粒之间存在不同晶粒之间存在着液膜，由于表面着液膜，由于表面张力的作用，液膜张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其液膜厚度越小，其吸附力量就越大。吸附力量就越大。c )b )a )HHT cT brcrbT aSSSSSSLLLrp/ 设液膜为圆柱体的设液膜为圆柱体的部分凹面，由于表面部分凹面，由于表面张力的作用，始终存张力的作用，始终存在着一个与外力方向在着一个与外力方向相反的应力与之相平相反的应力与之相平

26、衡，其大小为：衡，其大小为： 当当 r = T/2 时，时，fmax =p达临界值，如果继达临界值，如果继续将液膜拉开，则曲率续将液膜拉开，则曲率半径半径 r 将再度变大，而将再度变大，而应力应力p 将要变小。在将要变小。在这种情况下，凝固收缩这种情况下，凝固收缩引起的拉应力将大于由引起的拉应力将大于由表面张力所产生的应力，表面张力所产生的应力，使液膜两侧的固体急剧使液膜两侧的固体急剧分离。分离。 液膜的拉断临界应力液膜的拉断临界应力fmax大小为：大小为： 对于对于=10-2N/cm的金属来说，如果液膜厚度为的金属来说，如果液膜厚度为10-6mm时，要将液膜两侧的晶粒拉开所需应力为时，要将液

27、膜两侧的晶粒拉开所需应力为2103 N/mm2！液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间！液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，液膜的表面张液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax越大越大，裂纹越难形成。裂纹越难形成。 第一种情况第一种情况：凝固的早期凝固的早期，或者靠近液体的两相区内，或者靠近液体的两相区内，液膜与大量未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体液膜与大量未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体枝晶拉开多少，液体补充补充进去多少，因此进去多少，因此不会产生热不会产生热裂裂。Trpf22T/max 第二种情况第二种情况：液膜已经与液体区：液膜已经与液体区隔