金属凝固原理课件

1、金属凝固原理,第一章 概 论,第四次工业革命 2014年德国汉诺威工业博览会4月7日至11日举行。“工业4.0”概念受到关注。 早在2006年，联邦政府高技术战略2020 ，即未来项目“工业4.0”。 中国制造2025-十三五规划-中国梦 高度智能化-信息化-对人才的要求-跨界能力,第一章 概 论,怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国能不能赶上？怎样赶上？ 为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？为什么活着？怎样活得的更好？我应该在有限的时间内培养哪些技能？,第一章 概 论,基本思路：人文修养的提升整体思维、逻辑思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批判性的思维。 雾里看花-怎样看得

2、清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什么不同？,第一章 概 论,学而不思则罔 思而不学则殆 温故而知新 “虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰：教学相长也。 ” -礼记.学记,第一章 概 论,推荐相关的书籍： 肖纪美 宏观材料导论 2014.12 材料学方法论 1994 李庆春等 铸件形成理论 1982 胡汉起 金属凝固原理 关绍康 等 材料成型基础 周尧和 胡壮麒 介万奇 凝固技术,第一章 概 论,Fleming M G, Solidification Processing.

3、Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of Solidification. Switzweland: Trans Pub. Ltd,1998 汉译本 凝固原理库尔兹和费希尔 大野笃美著， 邢建东译， 金属的凝固理论、实践与应用。,第一章 概 论,中国制造2025 从工业大国到工业强国,第一章 概 论,中国制造2025 从工业大国到工业强国,第一章 概 论,先进材料是关键支撑：金属材料、无机非金属材料、高分子材料。,凝固：局限于金属材料？,第一章 概 论,凝固（solidification）：液态向固态的相变过程。 凝固：凝聚、凝结、固结 一种极为普遍的物理现象，广

4、泛存在于自然界和工程技术领域。 例：水冰 火山熔岩固化 高分子材料成形过程中是否也存在？ 水泥的凝固过程？粉末冶金过程？ 与结晶的区别与联系？,第一章 概 论,凝固原理（solidification principle）：凝固学，本课程以金属为主要研究对象金属凝固或液态金属凝固学。,第一节 液态金属凝固学的研究对象,一、研究对象和内容 研究对象：液态金属固态的过程。 研究内容：是研究液态金属（合金）转变成固态金属（合金）这一凝固过程的理论及技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工艺。 二、液态金属凝固学的理论基础 物理化学、金属学、传热学、传

5、质学、动量传输学等，在此基础上，阐述液态金属的结构和性质，晶体的生核及长大，宏观组织及其控制等内容。,研究手段： 实验 数学解析 数值模拟 物理模拟,相变热力学： 相平衡 界面 化学平衡 凝固动力学： 溶质再分配 形核 生长 化学反应 传输现象： 传热 传质 对流,控制手段： 温度场控制（冷却方式） 机械力 物理场：电磁力、超重力、微重力 化学方法：晶粒细化、变质、孕育处理,宏观组织（晶粒形态与尺寸） 微观组织（亚晶界、枝晶间距、次生相） 强化相尺寸、形态及分布 多相合金的相结构 组织均匀性 成分均匀性（宏观偏析与微观偏析） 组织致密性 气孔、夹杂 应力、变形、开裂 晶体结构缺陷 非晶、微晶、

6、纳米晶及非平衡晶,形状完整性 力学性能 物理性能 化学性能,凝固过程理论模型,研究,指导,揭示,完善,控制（实践）,获得,要求,三、凝固理论与技术研究的重点 1、合金的化学成分是决定凝固组织、成分分布及相结构形成倾向的首要因素。（单项凝固、多相凝固） 2、合金成分确定后，凝固组织是由凝固过程的传热、传质及液体流动决定的。因而，凝固过程的传热、传质和对流成为凝固理论与技术研究的重点。 3、合金液的结构对凝固过程与组织有重要影响，如合金液的预处理（过热处理、微合金化处理）。,16,材料科学与工程的内涵,四、研究对象尺度变化对凝固过程的控制因素和环节的影响 研究对象是单一过程（LS），但研究对象尺度

7、大小的变化使凝固过程的控制因素和环节具有本质的差别。 例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短（几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导热成为SP的控制环节。 大铸件（数十吨、上百吨） 砂型 凝固时间极长（几小时、上百小时）溶质扩散对SP中的对流影响极大，元素的宏观偏析也成为SP研究与控制的主要问题。,五、工业生产中常见的V冷（SP中的V冷是凝固条件的主要指标） 大型铸件：10-310-2/S 普通铸件：10-3102/S 普通雾化工艺生产金属粉末：103 /S 快速雾化工艺生产金属粉末：104 /S 雾化沉积、单辊法、激光表面重熔（快速凝固RS）106109 /S,六、凝固原理地位

8、和作用,六、凝固原理地位和作用,宝马汽车发动机,载人飞船,嫦娥一号飞行云迹实拍图,“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航天器的核心部件，其发展水平已成为一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一。人类航空史上航空动力技术的每一次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破和进步相关。,“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等意识的强烈冲击传统的金属材料成形加工工业被看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。 但是，美国的经验告诉我们，任何过分强调发展第三产业的重要性，而忽视制造业对国民经济健康发展重要性的作法，都将降低其制造业产品的国际竞争力。 日本、德国汽车工业的快速崛起，美国制造业世界霸主地位的丧

9、失和美国汽车在国际市场上竞争力的下降，使美国政府和专家充分认识到制造业的重要性，从而提出了一系列先进制造技术的发展战略，以提高其制造业的技术水平和产品的竞争力。,20世纪90年代，包括材料加工、成形新技术等“先进制造技术”被列入美国“国家关键技术计划”。 德国工业4.0，我国“中国制造2025”。,七、液态凝固理论发展,凝固理论研究核心为“凝固过程中的组织演变及其控制”, 主要包括形核和生长两方面的内容。,科学、系统研究始于近代。文献记载，最早可以追溯到1714年，但到20世纪40 年代，一般认为国内外尚无公认的凝固理论，而只有铸冶工艺。 近几十年来，随着工业及科学技术的发展，通过以科学研究为

10、轴线的实践理论再实践的发展、积累与总结，逐渐形成了现代凝固理论的基本框架 。,目前已经形成了一个较为完整的凝固材料体系。,凝固基础理论已从最初的晶体结构和生长形态等显微层次上研究，发展到从原子、分子层次上研究生长界面和熔体结构以及质、热输运和界面反应动力学等问题，形成了包括晶体形核理论、输运理论、界面稳定性理论、界面结构理论、界面动力学理论和负离子配位多面体模型等理论体系。,凝固技术已从公认的常规条件下的凝固发展到超常条件和特殊条件下的凝固（快速凝固、空间凝固、超高压凝固、深过冷凝固、激光（高能束）快速熔化凝固等）。 液态成形原材料的丰富、非常规凝固技术的研发、计算机计算能力的提高以及基础学科

11、新成就在凝固科学研究中的应用，使人们认识到经典理论的局限性，并向经典理论提出了挑战。 新兴和超常条件下的凝固技术中的新现象和相应的科学问题，即远平衡和极端不平衡情况下的凝固问题已经成为今后凝固理论研究的重点内容。,西北工业大学发现了凝固组织形态选择的相关性和历史相关性现象，并用实验证实了一定条件下枝晶生长间距也不是唯一的。 中国科学院沈阳金属所和山东大学分别采用分子动力学方法从原子尺度层次上研究了合金凝固的微观过程，取得了创新性的研究成果。,我国著名材料及冶金学家傅恒志院士从历史演进、材料发展、学科交融、基础理论以及凝固本身的内涵与客观需求考虑，提出凝固已不再局限于铸造和焊接领域，凝固应作为大

12、科学（Big Science）对待，应强调它的综合性、基础性、实践性、工程性、前沿性与创新性，从更高、更广阔的角度来要求它，发展它。,整体思维、局部思维、逆向思维、多向思维、综合思维（普遍性、特殊性）,第二节 凝固过程的研究方法,凝固过程中除了SL界面迁移外，还伴随传热、传质、液相流动和固相运动。这些过程不仅对固液界面的迁移速率及形态产生影响，而且这些场量之间互相影响，是一个非常复杂的过程。 1、数字解析方法 2、数值计算方法 3、实验方法,第三节 液态金属（合金）凝固理论研究的进展,一、古代凝固技术 5000年冶铸技术，前3000年主要是青铜器，后2000年主要是铁器。 1978年湖北随县出

13、土的编钟，64件8组（2400年前战国初期铸造的） 明永乐18年（公元14181422年）铸造北京大钟寺的永乐大钟，4.6吨，5.843.3(内2.9)m,二、现代凝固技术 （一）上世纪5060年代，经典凝固理论诞生时期1、在一代大师B.Chalmers（多伦多大学）的指导下，Tiller Jackson和Rutter于50年代初期在对凝固界面附近溶质分布求解的基础上提出了著名的成分过冷理论，首次将传质和传热因素耦合起来分析凝固过程组织形态问题。,（只有扩散，无对流）产生“成分过冷”的判据,2、Jackson Hunt提出了枝晶和共晶合金凝固过程扩散场的理论解，并在此基础上获得枝晶及共晶间距与

14、凝固条件（G.R）的关系式，得到许多实验的支持。 Jackson-Hunt模型下推出共晶片间距与凝固速率R的平方根成反比。,3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶质再分配方程等理论模型。 4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸造工艺设计的理论依据之一。,凝固层厚度,凝固系数,（二）60年代后，研究工作重点放在经典凝固理论的应用上 1、如钢锭的质量控制，连铸钢锭的电磁搅拌。 2、以提高质量，降低原材料和能源消耗为目标的优质铸件理论与技术，快速凝固技术，定向so

15、lidifation，半固态铸造在这一时期诞生。 3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在不断改进及完善。,4、最近20年 极端条件下SP的研究（如RS、超重力、微重力、超高压）。 计算机，凝固过程模拟和凝固过程控制。 我国铸造技术的发展 1.古代铸造技术成就 商周陶范铸造: 陶范制作在商周时期已非常精细，并皆有面料、背料之分，可铸造剑和编钟。 战

16、国考式记：记载六种锡青铜的配比，称为“六齐”，说明该时期对锡青铜成分与组织、性能的关系已有规律性的认识。 传统失蜡法：湖北、河南近年出土了春秋、战国时期的失蜡铸件。明代天工开物上就有记载失蜡法的工艺过程。,生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很快。秦汉以后，耕田的农具：锄、鎌、犁、锹等都是铁制品。生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。 铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、手工工具。 可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来发现近十件石墨为球形的铸铁农具。 层叠铸造：王莽时代，一次铸18

17、4枚铜钱、河南温县窑出土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。 大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年：50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。 对经济文化的重大影响：日常用语中：模范、范围、陶冶、铸成大错等来自于古代铸造术语。,战国早期。1978年于湖北省随县（今随州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盘则是盛水器。出土时尊置于盘内，两件器物放在一起浑然一体。尊作喇叭状，高33.1厘米，口宽62厘米。宽沿上饰玲珑剔透的蟠虺透空花纹，花纹又分上下两层，形似朵朵云彩。尊的颈部附饰有四头豹形爬兽，皆由透空的蟠螭纹构成

18、兽身，作攀附上爬状，返顾吐长舌。在圆鼓的尊腹和高圈足部位，于浅浮雕及镂空的蟠螭纹上，各加饰四条高浮雕的虬龙，取得了层次丰富、主次分明的艺术效果。盘高24厘米，宽57.6厘米，深12厘米。盘口外折下垂，直壁平底，下附有四只龙形蹄足，口沿上另附四个方耳，耳的两侧为扁平镂空夔纹；在四耳之间，各有一条虬龙攀附，其整体艺术风格与同出的尊相一致。曾侯尊盘最为惊人之处，就在于那千丝万缕、鬼斧神工的透空附饰。 据冶金专家鉴定，该器是使用失蜡法铸造成的。,出土文物,曾侯尊盘,编钟战国早期。1978年于湖北省随县（今随州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。,出土文物,出土文物,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,湖北当阳市玉泉寺前

19、当阳铁塔，公元1061年，北宋嘉6年,沧州铁狮子，北宋嘉6年,2.新中国成立后，铸造技术发展迅速 主要表现： a.新中国成立近60年以来，我国铸造业发展迅猛。近几年来，我国铸件产量已达2000万t/年以上，能为航空、航天、航海、交通、制造、冶金、化工等行业提供各种铸件。 b.我国铸造技术水平已接近国际先进水平 , 铸件尺寸精度和质量达到了发达国家的水平。例如：我国已铸出重260t的大型铸铁钢锭模，还铸出30104kW水轮机转子 ；2008年，中信重机洛阳重型铸锻厂生产了约520t的18500t压力机铸钢机架 c.新工艺和新方法不断出现。 在液态成形技术的发展过程中，出现了熔模铸造、金属型铸造、

20、压力铸造、离心铸造、真空实型铸造及V法铸造等先进铸造工艺,d、近些年，借助于物理化学、金属学、非平衡态动力学、高等数学等相关学科的发展，使金属凝固理论有了很大发展。可以控制凝固过程来开发新材料，同时专业铸造研究所和大学的科研工作也在蓬勃发展，如大型铸件铸造工艺的计算机辅助设计，采用计算机模拟大型铸件的充型过程和凝固过程，可在铸件生产之前判断铸造缺陷（如缩孔、缩松等）是否产生以及产生的部位，从而及时调整工艺方案，对新产品试制特别是大型铸件的单件生产确保一次成功提供了技术保证。,计算机模拟车桥壳凝固过程示意图,第2重型机器厂：宝钢480吨5m厚板轧机机架正在浇注 钢水700吨,沈阳铸造所：电渣熔铸

21、工艺铸造的三峡水轮机导叶 重13吨,郑纺机生产的1.2MW风力发电机箱体,尺寸：136020301360mm3 重量：1.3T 材质：QT400-18AL,宝马发布镁合金直列6缸引擎,大连船用推进器厂：直径8.95 m 重量98.4 t 铝青铜大型集装箱船用螺旋桨,消失模铸造：如下图所示。,消失模铸件,V法铸造,全国最先进V法铸钢生产线,铸钢机车摇枕侧架,单幅宽为2.8米，整幅宽为5.6米，为目前中国最大宽幅EVA铸造膜,第二章 液态金属的结构和性质,2.1液态金属的结构,一、液态金属结构的研究方法,二、结构因子S(Q）,双体分布函数g(r) 可以较好地描述液体在平衡态下的结构和性质,径向分布

22、函数,(a) 气体,(a) 液体,(a) 固态晶体,晶态固体,表1 几种晶态纯金属熔化时的热物理性能变化,说明：液态金属的原子间距接近于固体；熔化时原子之间结合键只破坏了百分之几 。,图1-4 700时，液态Al中原子分布曲线，当r时，(r) 0,表示在较大体积中的原子平均密度（相当于非晶体态材料）,固态金属：一条条清晰的线； 液态金属：一条条带，第一峰值与固态衍射线极为相近。 结论： 液态金属中原子的排列在几个原子间距的范围内，与其固态的排列方式基本一致。但原子间距、空穴增多，配位数略有变化。,三、金属的液态结构,原子间结合能较强，原子在小距离内排列规则，原子间距增加不大。 液体由许多原子集

23、团组成（十几个几百个原子组成的），原子集团内保持固态特征“拓扑（短）近程有序排列”。（Topological Short Range Ordering） 所有原子集团都处于瞬息万变状态，时而长大，时而变小，时而产生，时而消失，此起彼落，液态金属结构存在不稳定性 结构起伏（structure Fluctuating）每时每刻都有原子的能量高于平均能量，也有低于平均能量的原子存在，这种现象称为能量起伏。（Energy Fluctuating ） 在实际金属熔体中，游动原子团簇间存在化学成分差异，并且这种原子团内部的成分不均匀性也处于不断的变化之中。称为“化学短程有序（Chemical Short

24、Range Ordering）”，即“浓度起伏（Concentration Fluctuating）”或“成分起伏” 。 原子集团平均尺寸及“游动”速度均与T有关。,具有中间金属化合物的合金熔体中既有“短程有序”又可能存在“中程有序（Medium Range Ordering）”。 “中程有序”指的是处于“短程有序”和“长程有序”之间的有序情况，属于尺寸较大的原子集团。 “中程有序”的出现与合金的化学成分、熔体温度及固态中存在的相应相结构等因素有关。“中程有序”在纯金属和简单二元共晶成分的合金熔体中不出现，并且存在一个低温出现，高温消失的溶化规律。,引力波,在物理学中，引力波是指时空弯曲中的涟

25、漪，通过波的形式从辐射源向外传播，这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。 引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果，因为它引入了引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下，引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中，因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。,引力波的发现验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言，但引力波带来的认知革命绝不止步于此。引力波为我们打开了除电磁辐射（光学、红外、射电、X射线等）、粒子（中微子、宇宙线）之外，一个全新的窗口我们从未能够以这样的方式观察宇宙。在引力波这个新窗口中，我们不再是以电磁场、物

26、质粒子作为观察宇宙的凭借我们感受的，是时空本身的颤动！LIGO的直接探测到的第一例引力波事件（据说）来自两个恒星质量黑洞的并合。两个黑洞并合前，会在与彼此的绕转中搅动周围的时空，向四周散发出涟漪般的引力波。这些引力波带走了一部分双黑洞系统的引力势能，让两个黑洞越绕越近、越近越快。而两个黑洞最终并合之后，融合成的大黑洞会经过几下“摇摆”，才会融成完美的球形。,“在星际穿越和三体中，都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段，这也许只能是美好的幻想，但对于天文研究而言，引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风，就带来了一个重大的信息： “引力波的直接探测实现了50年前就设定好了

27、的伟大目标：直接探测难以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” “不少亲朋好友问过我，你在研究些什么。我都这么回答：我们在找另一种光，一旦找到，意味着人类从此有了第六感，就像有了超能力，用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在，我们，找到了！” 马克斯普朗克引力物理研究所博士生，明镜,量子缠绕理论,5、实际金属的液态结构,与理想的纯金属液态结构的主要区别是：实际液态金属存在三种起伏 ：“结构起伏”、“浓度起伏” 和“能量起伏”。 实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的，它是一种“混浊”

28、的液体；而从化学键上看，除了基体金属与其合金组成的金属键之外，还存在其它多种类型的化学键。,65,熔体与周围环境（如熔炼或焊接气氛、熔剂等） 相互作用； 熔化条件多种多样（如压力、外场作用等） ；,对液态金属的加工处理（如变质处理、球化处理、微合金化、外场作用等），实际上都是希望改变这三种起伏及净化熔体，从而改善液态金属的性质，达到控制凝固过程、细化组织和提高产品性能的最终目的。,工业应用的金属主要是多元合金； 原材料中含有各种各样的杂质；,实际液态金属（合金）的结构更加复杂的主要原因,2.2液态金属的性质,一、液态金属的粘滞性,图1-6液体内各层的流速 （层流流动）,粘滞性的本质 a.粘度、

29、动力粘度和运动粘度 粘度：液体内部质点间作用力引起的内摩擦力。物理意义：液体流动性的倒数。 动力粘度：两层金属间的相互作用力（内摩擦力）。 牛顿的液体粘滞流动定律：,据弗伦克尔的液态结构的理论，粘滞系数用下式表示：, 和Q与原子间结合力有关,图1-7金属的动力粘度与温度关系,b. 粘滞性的本质：质点间（原子间）结合力的大小。,运动粘度v：,流体的紊流倾向大,2.影响粘度的因素,a.温度的影响 理论分析：,温度较低（过热度低）时，T 温度很高时，T （接近气态）,图1-8Fe-C合金的动力粘度与的温度关系,第二章 液态金属的结构和性质,图1-10粘度与成分关系,b.化学成分的影响,难熔化合物的粘

30、度较高，而熔点低的共晶成分合金粘度低。 粘度与熔点有相似性,c.非金属夹杂物的影响,固态的非金属夹杂物使合金粘度增加。液体流动时的内摩擦力增加。MnS、AlO、SiO等。,3.粘度对铸件形成过程的影响,a.对液态金属流态的影响 雷诺常数： D是管道直径，V是液体流速 Re2300，紊流；Re2300，层流,流动阻力系数：,对f影响大,对f影响小,一般浇注情况下，浇注系统及型腔中为紊流。而型腔的细金属部分，或充型的后期为层流。故对型腔的细薄部分充型有利，且可防止浇不足 。,b.对液态金属对流的影响 温度差和浓度差引起对流，对流强度用格拉索夫 准则度量：,液体流动对结晶组织，溶质分配，偏析，夹杂物

31、的聚合物都有影响。,c.对液态金属净化的影响 球形、半径小于0.1mm、且满足小颗粒，上浮的条件：,V杂质留在液体中的可能性越大。,二、液态金属的表面张力,铸件形成过程存在多种相及相界面 界面反应 表面张力研究的重要性。 a.表面张力的本质,在液体表面内产生的平行于液体表面，且各向均等的张力，称为表面张力。,表面张力是气/液界面现象，它的的大小与液相和气相的性质有关。 产生张力的表面层厚度不超过10-7cm，相当于几个原子(分子)液层厚度。,由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，导致表面内产生了多余的表面能。如图111所示。,设表面S在绷紧力F的作用下，拉长了dx距离，

32、则外力所做的功为：,进一步可得:,图111表面张力简图,因此，表面张力s是表面S内垂直F方向的单位长度上的拉紧力。,也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功，称之为表面能。 注意： 表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表面张力为10-1N/m，则表面能为10-1J/m2。,由相关热力学公式可得,此式表明，表面张力s就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。,b.润湿角,严格地说，表面张力 应称界面张力（包括：液-气、固-固、固-液、固-气等）。,润湿角指的是液相与气相间的界面张力 与固相与液相间的界面张力 之

33、间的夹角，,6.1 晶体表面晶体表面 6.1.1 静态表面原子状态和表面结构静态：指原子不动（无热激活） 6.1.1.1 清洁表面区电子密度分布的变化/现象一,金属材料：表面偶向真空伸入约伸入约0.1nm,垂直表面方向上晶体内部周期性遭到破坏，因而在表面附近的电子分布发生变， 影响表面原子排列。在表面 形成一层稀薄的电子云，形 成一个偶电层。,无表面影响,表面电子逸出形成电子云,6.1.1.2 表面弛豫和再构（Relaxation and Restructure ）,表面原子也会发生向表面法线方向的弛豫。可向外膨胀或向内收缩，这由于表面原子在真空一侧丧失了近邻原子而出现“悬挂链”，表面及附近原

34、子达到新的平衡位置。 注：一般来说，保留了平行表面的原子排列二维对称性。,理想的解离表面,表面向外弛豫,外层4个原子层的再构（假想模型）,图112 气固液三相交点处质点A的受力示意图,A点受到三个界面张力 、 、 。,当质点A所受界面张力达到平衡时，各界面张力之间的关系服从杨氏（Young）方程。,为表面张力与固液界面的夹角，即润湿角(Wetting Angle),润湿角,第二章 液态金属的结构和性质,SG LG ,90润湿 ；如水在玻璃上能铺成一层，称为玻璃被水润湿 。 0，完全润湿；液体在固体表面铺展成薄膜 。,润湿角是衡量界面张力的标志，其大小反映液相与固相润湿程度。,SGLG ，90不

35、润湿；液体倾向于呈球形，称为液体不能润湿固体，如水银与陶瓷间及金属液与SiO2间。, 180，完全不润湿。,第二章 液态金属的结构和性质,不润湿,润湿,第二章 液态金属的结构和性质,c.影响表面张力的因素 a)熔点(熔点界面张力）；,第二章 液态金属的结构和性质,c.影响表面张力的因素 b)温度(除铸铁，碳钢，铜及其合金外，温度表面张力 ； c)溶质 表面活性元素：降低表面能，正吸附；非表面活性元素：增大表面能，负吸附） 表面活性元素的作用：接近熔点时富集于液态表面，起净化金属液的作用。,d.表面张力引起的附加压力,用一根玻璃管吹一个肥皂泡， 若将管口堵住肥皂泡可以长时间存在 若不堵住管口肥皂

36、泡将会不断缩小，很快聚成一个液 滴。 WHY? 现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。 因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向 内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加 压力。 要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必 须有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的 压力必须大于外压。 附加压力的大小和液面的曲率半径有关。,图1-13弯曲液面的附加压力 (a) 水平液面 (b) 凸液面 (c) 凹液面,任意弯曲的液-气表面，附加压力p：,r1/r2界面上两个相互垂直弧线的曲率半径 当为球状时,e.毛细现象,在日常生活中常见到玻璃毛细管插入水中或油中，管

37、内液面将上升或下降，这种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称为毛细现象。,图1-14毛细管现象,当液柱高度不再变化时，上升液柱产生的静压力与附加压力的数值相等。 即,为液体密度；g为重力加速度；r1为毛细管半径；h为液面上升高度,在一定温度下，毛细管的半径r愈小，液体对管壁的润湿愈好，液体在毛细管中上升的愈高。 当液体不能润湿管壁时，上式也能适用，此时，管中形成凸液面，h为负值，毛细管内液面低于管外液面，即毛细管中液面下降。,f.表面张力在材料成形中的作用和意义,(a) 表面张力对粘砂和充填最小直径的影响,在砂型铸造过程中，金属液是否渗入砂型毛细管（砂粒与砂粒间的孔隙）

38、而使铸件产生机械粘砂，与金属液和砂型是否润湿及表面张力引起的附加压力的大小有关。,根据上式可计算出形成机械粘砂的毛细管临界半径（与型砂的粗细有关） 。,冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需要克服附加压头。,只有满足附加压头：Hh时，铸型中的细薄部位才能充满。,(b) 表面张力对液态金属净化的影响,夹杂能够被气泡粘附而上浮，必须满足的热力学条件为：,用熔剂精炼法去除夹杂时，首先要求熔剂对夹杂具有粘附能力,越大，对熔剂吸附夹杂越有利 。,熔剂是否易于与熔体分离可用下式判断：,越小，熔剂越易与熔体分离。因此选择熔剂时，应当使其与合金的界面张力尽量大，而其本身的表面张力应尽量小。,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力在铝合金溶剂法精炼中的应用,表面张力