第一章 液态金属的结构与性质

1、,材料成形基本原理第一章液态金属的结构与性质,四川大学制造学院,彭华备,第一篇材料成形过程中的凝固与冶金原理,液态金属的结构与性能凝固温度场金属凝固热力学与动力学单相及多相合金的结晶铸件与焊缝宏观组织及其控制特殊条件下的凝固与成形液态金属与气相的相互作用液态金属与熔渣的相互作用液态金属的净化与精炼焊接热影响区的组织与性能凝固缺陷及控制粉末冶金原理,第一章液态金属的结构与性质,第一节引言,一、液体的分类,按液体的构成类型，可分为：原子液体（如液态金属、液化惰性气体）分子液体（如极性与非极性分子液体），离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）,二、液体的表观特征,具有流动性（液体最显著的性质）；可完全

2、占据容器的空间并取得容器内腔的形状（类似于气体，不同于固体）；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（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面（类似于固体，不同于气体）；液体可压缩性很低（类似于固体，不同于气体）。,液体性质,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,三、液体的结构和性质与材料成形的关系,液体的界面张力、潜热等性质凝固过程的形核及晶体生长的热力学熔体的结构信息凝固的微观机制液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质成

3、分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式热力学性质及在液相中的扩散速度铸造合金及焊接熔池的精炼,一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征,晶体：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格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动气体：完全无序为特征分子不停地作无规律运动,液体：长程无序不具备平移、对称性；近程有序相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”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,一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征,三种状态示意图,第二节液态金属的结构,偶分布函数（ThePairdistributionfunction）距某一参考粒

4、子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r=0）距离为r位置的数密度(r)对于平均数密度o（=N/V）的相对偏差。,气体液体晶体,一液体与固体、气体结构比较及衍射特征,平均原子间距r1：对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。r=r1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。,径向分布函数RDF：(radicaldistributionfunction）RDF=4r2og(r)表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。,配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数。配位数N1的求法：RDF第一峰之下的积分面积；N1与r1一起，被认为是

5、液体最重要的结构参数，因为它们描绘了液体的原子排布情况。,实际测量和模拟的偶分布函数曲线,耿浩然等：物理学报2006,55(3):1320-1325,黄维，梁工英Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟,随着温度的升高，偶分布函数第一峰高度不断变低，宽度不断变宽，这表明每个原子的第一近邻原子数目不断减少。这些都说明，随着温度的升高，体系的短程有序度不断下降。,二由物质熔化过程认识液态金属结构,熔化过程体积变化,熔化潜热和气化潜热,二由物质熔化过程认识液态金属结构,熔化过程体积变化,二由物质熔化过程认识液态金属结构,熔化潜热和气化潜热,二由物质熔化过程认识液态金属结构,液态金属结构参数变化,液态金属结

6、构参数变化特点a、金属熔化后内部原子之间的距离改变不大b、金属熔化后结合键破坏程度及配位数的改变较小。c、金属熔化后原子排列规则程度显著降低。,二由物质熔化过程认识液态金属结构,二由物质熔化过程认识液态金属结构,金属熔化潜热比其气化潜热小的多，表明熔化时起内部原子结合键只有部分被破坏。金属的熔化并不是原子间结合键全部被破坏，液体金属内原子的局部分布任具有一定的规律性，和气体截然不同。材料熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大，表明液态的原子间距接近于固体。,三液态金属结构的理论模型,（一）无规密堆硬球模型（二）液态金属结构的晶体缺陷模型（三）液体结构及粒子间相互作用的理论描述（四）液体结构再

7、认识和新进展,三液态金属结构的理论模型,晶体缺陷综合模型1液态金属主要由大量的具有能量起伏的短程有序的原子团簇所组成，在这些团簇周围分布着高位错密度和空穴密度的区域以及散乱无序的原子。2对于一定宏观状态的液体，这些团簇的统计平均尺寸和分布是一定的，然而其中的各个团簇或原子的状态处于不断的变化之中，这现象就是结构起伏。这些原子团簇的平均尺寸随液体宏观状态（如温度）的改变而改变。3在熔融状态的合金中,在某一微区某一瞬时内浓度呈现不同于平均浓度的周期性变化的现象称作浓度起伏。,液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈规则排列，结构与原固体相似，存在大量的能量起伏，热运动激烈。液态金属特点：有固定

8、的体积。有很好的流动性。各种物理化学性质接近于固态，而远离气态。,三液态金属结构的理论模型,四实际金属的液态结构,杂质第二组元三种起伏,1200,1700,1550,1400,粘度表面张力充型性,第三节液态合金的性质,第三节液态合金的性质,一、液态合金的粘度/viscosity液态金属的粘度对铸型的充填、液态金属中的气体、非金属夹杂物的排除、金属的收缩、一次结晶的形态、偏析的形成等，都有直接或间接的作用。因此，液态金属的粘度对铸件的质量具有重要影响。,一、液态合金的粘度/viscosity,（一）液态合金的粘度及其影响因素粘度系数-是根据牛顿（SirIsaccNewton）提出的数学关系式来定

9、义的：粘度反映了液体内摩擦的大小。,液体粘度的部分性质,液体粘度的牛顿定律-即液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力成正比。牛顿液体、非牛顿液体。在通常条件下，所有的液态金属均被视为牛顿液体。粘度就是作用于液体的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。要产生相同的dVX/dy，液体内摩擦阻力越大，即越大，所需外加剪切应力也越大。液体粘度量纲为M/(LT)，常用单位为Pas或mPas,液体粘度的影响因素,弗伦克尔理论：kB-Bolzmann常数；U-为无外力作用时原子之间的结合能;0-为原子在平衡位置的振动周期;-液体各原子层之间的间距;,液体粘度的影响因素,1）粘度随原子间结合能U

10、按指数关系增加：这可以理解为，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2）粘度随原子间距增大而降低，与3成反比3）与温度T的关系：,液体粘度的影响因素,4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：液态金属中呈固态的非金属夹杂使液态金属的粘度增加;表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质存在使粘度提高。,温度对粘度的影响,图19液体的粘度与温度的关系a）液态镍b）液态钴,（二）粘度在材料成形中的意义,对液体金属流态的影响对材料成型质量的影响,1.对液体金属流态的影响,运动学粘度为动力学粘度除以密度即=/运动学粘度适用于较大外力作用下的水力学流动；液态金属的流态确定于他的雷诺数

11、。雷诺数/Reynoldsnumber,雷诺数/Reynoldsnumber,流体流动时的惯性力和粘性力(内摩擦力)之比称为雷诺数。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动，其粘性影响遍及全流场。,层流和紊流,层流（LaminarFlow）亦称片流，是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。,例：毛细血管中血液流动,流速很小的细直管道流动等等。,层流和紊流,紊流（TurbulentFlow）亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，液体质点运

12、动轨迹极不规则的流动。,例：输油管道，天然河道，大气环流、洋流、动脉中血液的流动等等。,实际测得：金属液在浇注系统中或在试样中的流速，除停止流动前的阶段都大于临界速度，是紊流运动,流动阻力系数,f为流动阻力系数：,显然，流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就愈大，或者说所需压力差也就愈大。由此可知，在层流情况下的液体流动要比紊流时消耗的能量大。,粘度对成形质量的影响,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：对焊缝的质量的影响。,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，流动管道直径

13、较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。,影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向,由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。,影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧,在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行的，金属液中的杂质元素及熔渣中反应物要不断地向界面扩散，同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度和可进行到何种程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，金属液和熔渣的动力学粘度低则有利于扩散的进行，从而有利

14、于脱去金属中的杂质元素。,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。,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：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Stokes公式的应用,Stokes公式的意义,由上式可见,液体的粘度愈大,杂质半径愈小,液体与杂质的密度差愈小,杂质沉浮速度愈慢,留在铸件中的可能行就大,Stokes公式使用条件是Re1；杂质上升速度

15、很慢，半径很小0.1mm且为球形或近球形，,思考与练习,问：钢液中的含MnO，当钢液为1550时，=0.0049N*S/m2液=7000*9.81N/m3,杂=5400*9.81N/m3,对于r=0.0001m的球形杂质，其上浮速度为多少？,思考与练习,答：,对焊缝的合金过渡影响,在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣-熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。,粘度表面张力充型性,第三节液态合金的性质,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（二）表面张力在材料成形生产

16、技术中的意义,（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素,1表面张力的实质及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大小相等的张力。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。,表面张力（surfacetension）,在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张力，它垂直于表面的边界，指向液体方向并与表面相切。,将一含有一个活动边框的金属线框架放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的肥皂膜的表面张力

17、作用，可滑动的边会被向上拉。,把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，单位是Nm-1。,表面张力（surfacetension）,（a）,（b）,表面张力的实质,处在界面层的分子，一方面受到体相内相同物质分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相中物质分子的作用，其作用力不能相互抵销，因此，界面层分子由于其处在一不均匀对称的力场会显示出一些独特的性质。,表面与界面,表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体（或固体）与气体之间的交界面，但更严格说，应该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）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。,表面和界面

18、(surfaceandinterface),常见的界面,1.气-液界面,表面和界面(surfaceandinterface),2.气-固界面,表面和界面(surfaceandinterface),3.液-液界面,表面和界面(surfaceandinterface),4.液-固界面,表面和界面(surfaceandinterface),5.固-固界面,界面现象的本质,最简单的例子是液体及其蒸气组成的表面。,内部,界面,界面现象的本质,液体内部分子所受的力可以彼此抵销，但表面分子受到体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相密度低），所以表面分子受到被拉入体相的作用力。,这种作用力使表面有自

19、动收缩到最小的趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。,2、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积表面时的自由能增量。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，但都以表示，其大小完全相同，单位也可以互换。,3表面张力的实质及影响的因素,1）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力u0表面内能表面自由能表面张力2）表面张力与原子体积（3）成反比，与价电子数Z成正比3）表面张力与温度：随温度升高而下降4）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

20、，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低。,第二元素对合金表面张力的影响,Al-X合金,Mg-X合金,润湿角和界面张力,润湿角,图1-12固体表面的液滴及表面张力的示意,接触角与润湿方程,在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示。,接触角与润湿方程,若接触角大于90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；,若接触角小于90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面。,接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算,润湿角和界面张力,润湿和不润湿的区别以及决定因素取决于接触物质之间的界面张力,(二)表面张力在材料成形生产技术中的意义,表面张力在大体积系统中显示不

21、出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用界面张力与润湿角表面张力引起的曲面两侧压力差液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）,（二）表面张力引起的曲面两侧压力差,厚度为1,表面张力引起的曲面两侧压力差（附加压力）,对于任意曲面：对球形曲面（如液滴）（r1=r2）则,液相为凸面时(金属液滴),液滴内部压力大于外部压力：p1p2液相为凹面时(液相中有气泡),气泡内部压力小于外部压力：p1p2,附加压力的运用,1.粘砂和附加压力金属液净压头H越大，毛细管直径D越大，越易粘砂。经推导，有临界毛细管直径Dc：,附加压力的运用思考题,思考附加压力在不润湿和润湿情况下对充型的影响？提示：不润

22、湿和润湿情况下附件压力的方向不同。,附加压力的运用,2.液态金属中气泡因温度下降饱和而析出时的合并3.CO2气体保护焊熔滴过渡中容易产生飞溅,3液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响,在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。,设液膜为圆柱体的部分凹面，由于表面张力的作用，始终存在着一个与外力方向相反的应力与之相平衡，其大小为：,当r=T/2时，fmax=p达临界值，如果继续将液膜拉开，则曲率半径r将再度变大，而应力p将要变小。在这种情况下，凝固收缩引起的拉应力将大于由表面张力所产生的应力，使液膜两侧的固体急

23、剧分离。,液膜的拉断临界应力fmax大小为：对于=1g/cm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2103N/mm2！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，液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax越大，裂纹越难形成。第一种情况：凝固的早期，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枝晶拉开多少，液体补充进去多少，因此不会产生热裂。,第二种情况：液膜已经与液体区隔绝，但是由于低熔点物质的大量存在（如钢中的硫共晶），形成大的液膜厚度和低的表面张力，将使液膜的最大断裂应力fmax减小，

24、且熔点低而凝固速度较慢，这样，厚的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速度，则往往要产生热裂。第三种情况：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质较少，其表面张力较高，熔点也相应较高而凝固速度较快，液膜迅速变薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到大的fmax的抗力，这种抗力将使高温固体内部产生蠕变变形，从而避免了热裂的产生。,表面张力对熔滴过渡的影响,熔滴过渡改善途径在于降低熔滴的表面张力，生产中常采用的中种措施:1）增大焊接电流2）适当增强电弧气氛的氧化性,第四节液态金属的充型能力,一、液态金属充型能力的基本概念液态金属充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整

25、、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。充型能力不强，可能产生的浇不足、冷隔等缺陷。,第四节液态金属的充型能力,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。,一、液态金属充型能力的基本概念,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。,螺旋形试样示意图,常用合金的流动性,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

26、动就停止。,内部光滑阻力小,充型能力强,二液态金属停止流动机理与充型能力,对于宽结晶温度合金，试验表明，在液态金属的前端析出1520的固相量时，流动就停止。结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。,结晶温度范围越宽，枝晶就越发达的原因？,二液态金属停止流动机理与充型能力,典型合金停止流动机理的比较,二液态金属停止流动机理与充型能力,Al和Al-Sn5%合金流动性,纯Al流动性宏观试样,Al-Sn5%流动性宏观试样,充型能力的计算,三影响充型能力的因素,金属性质方面的因素铸型性质方面的因素浇注条件方面的因素铸件结构方面因素,1.金

27、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，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，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；,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潜热对流动性影响不大。,1.金属性质方面的因素,图1-21-合金流动性与成分的关系,1.金属性质方面的因素,锑镉合金,合金元素的影响,铸铁的流动性与磷含量的关系图,铸铁流动性与硅含量的关系图,比热容,

28、比热容和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；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。,合适的熔炼工艺,除气干净，最好精炼合理的脱氧顺序高温出炉，低温浇注,几种不同合金流动性的比较,*铸铁的流动性,*铸钢的流动性,实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。,2、铸型性质方面的因素：,铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b2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。,2、铸型性质方面的因素：,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。,几种造型材料的蓄热系数,2、铸型性质方面的因素：,铸型的温度的影响预热铸型能减少金属与铸型的温差，从而提高其充型能力，一般提高铸型温度有利于充型。,铝合金金属型铸造,2、铸型性质方面的因