第一章 液态金属的结构与性质.ppt

1、第一章：液态金属的结构和性质；1:第1节：液态金属的结构和特性的介绍；第3节：液态合金的特性；第4节：液态金属的填充能力；第一章：液态金属的结构和性质；3:第1部分的介绍。1.液体的分类。液体的表观特性。液体的结构和性质与材料形成的关系。第一章。液态金属的结构和性质。根据组成类型和内力，液体的分类可分为原子液体(如液态金属和液化惰性气体)、分子液体(如极性和非极性分子液体)和离子液体(如各种简单和复杂的熔盐)。它能完全占据容器的空间，并呈容器内腔的形状(类似气体但不同于固体)；它不能像固体一样承受剪切应力，这表明液体的原子或分子之间的结合力不如固体中的强(类似于气体但不同于固体)；有自由表面(

2、类似于固体但不同于气体)；液体具有低压缩性(类似于固体，但不同于气体)。第一章是液态金属的结构和性质。6.液体性质和物理性质：熔点(熔化温度范围)、沸点、密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等物理和化学性质：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、膨胀和压缩系数等。第1章：液态金属的结构和性质，7。液体的结构和性质与材料形成的关系，界面张力和液体潜热等性质，晶体生长的成核和热力学，熔体在凝固过程中的结构信息，凝固的微观机理，原子扩散系数，界面张力，传热系数，结晶潜热和液体组分的粘度，偏析，固液界面类型和晶体生长方式，反应物和产物在液相中的热力学性质和扩散速率，铸造合

3、金和熔池的精炼，第1章：液态金属的结构和性质；8:第2节：液体和固体、气体的结构比较和衍射特性；从材料熔化过程了解液体结构；液态金属结构的理论模型；第一章：液态金属的结构和性质；9:液体和固体、气体的结构比较和衍射特性；晶体：平移和对称特征(长程有序)原子以某种方式周期性地排列在三维空间的晶格节点上，同时原子以某种方式在平衡位置热振动：完全无序是分子的特征，原子不断地不规则地运动。第一章，液态金属的结构和性质，10。液态：短程有序没有平移和对称性；与完全无序的气体相比，液体中存在许多局部有序的原子群，液体结构短程有序化了场域。第1章：液态金属的结构和性质，11。液态金属的衍射结构参数，均匀分布

4、函数g(r)，平均原子间距r1，径向分布函数配位数N1，第一章是液态金属的结构和性质。12.均匀分布函数g(r)的物理意义：在远离某个参考粒子r处发现另一个粒子的概率，换句话说，它意味着在距离参考原子r处(在坐标原点r=0处)的原子序数密度(r)与平均密度o的相对偏差(N/V=粒子数N/体积V系统)。图1-1:气体、液体、无定形和结晶固体的结构特征和衍射特征；第一章：液态金属的结构和性质；13:平均原子间距r1:对于液体(或无定形固体)，对应于g(r)的第一个峰的位置。R=r1表示从参考原子到周围第一配位层中原子的平均原子距离。第一章是液态金属的结构和性质，径向分布函数rdf:(径向分布函数)

5、rdf=4r2og (r)表示r和r之间的球壳中的原子数。图12略高于熔点的液态碱金属(锂、钠、钾、铷、铯)的径向分布函数(RDF)，第1章，液态金属的结构和性质，15，配位数N1:指参考原子(即第一壳层)周围的原子数。配位数N1的计算：RDF第一峰下的积分面积；N1和r1一起被认为是液体最重要的结构参数，因为它们描述了液体的原子排列。第一章是液态金属的结构和性质。16.液体结构是从物质的熔化过程中得知的。物质熔化时体积变化的熵变化(和焓变化)一般很小(见表1-1)。典型的体积变化Vm/VS(Vm是金属熔化时的体积增量)约为3%，表明液体的原子距离接近固体，其混淆度仅略大于熔点附近的固体。金属

6、的熔化潜热Hm远小于其汽化潜热Hb(表1-2)，其为1/151/30，表明内部原子键在熔化过程中仅被部分破坏。第一章是关于液态金属的结构和性质，第三章是关于液态金属结构的理论模型，第二章是关于液态金属结构的晶体缺陷模型，第三章是关于实际液态金属的微观特征，第一章是关于液态金属的结构和性质， 第三章是关于液体和几乎所有固体金属的缺陷模型微晶模型：液体金属由许多微小晶体和表面缺陷组成，其中金属原子或离子形成完整的晶格，这些微晶通过界面连接。 空穴模型：当金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量空位，使液态金属的微观结构失去长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于剪切，因此它具有流动性。随着液态金属温度

7、的升高，空位的数量也增加，表明液态金属的粘度降低。位错模型：液态金属可视为被位错核心严重破坏的晶格结构。在特定温度以上，由于在低温下高密度位错的突然出现，没有位错的固体晶格结构变成液体。(2)液态金属结构的晶体缺陷模型，第1章，液态金属的结构和性质，以及(4)实际液态金属的微观特征。大量在液体中不断“游动”的局域有序原子团簇“能量波动”和“浓度波动”，同一元素和不同元素的原子之间的结合力不同，结合力强的原子容易聚集在一起。第一章是关于液态金属的结构和性质，第三节是关于液态合金的性质，第一章是关于液态合金的粘度， 第二章是液态合金的表面张力，第一章是液态合金的粘度，第一章是液态合金的粘度及其影响

8、因素，第二章是粘度在材料成型中的意义。 (1)液态合金的粘度及其影响因素。液体粘度的定义和意义。粘度的影响因素，第1章液态金属的结构和性能，23，1。液体粘度的定义和意义，简称粘度系数-粘度(运动粘度)，是根据牛顿的数学关系定义的：作用在液体表面(X-Z平面)上平行于X方向的外加剪切应力作用在液体表面各原子层上的外力速度表示如下：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力成正比。在正常情况下，所有液态金属都符合牛顿定律，被称为牛顿液体。粘度的物理意义可以看作是作用在液体表面上的应力和垂直于平面的速度梯度之间的比例系数。为了生产相同的dVX/dy，液体中的摩擦阻力越大，所需的剪切应力就越大。液体粘

9、度尺寸为M/LT，常用单位为PaS或mPaS。第一章是液态金属的结构和性质。24，2。粘度的影响因素，粘度表达式：玻尔兹曼常数；u为无外力时原子间的结合能，0为平衡位置原子的振动周期(液态金属约10-13秒)，粘度随原子间结合能呈指数增长。可以理解，液体原子之间的结合力越大，内摩擦阻力和粘度就越大。粘度的影响因素粘度随着原子间距的增加而降低(成反比)。事实上，熔融金属的原子间距不是固定的。随着温度的升高，原子的热振动加剧，原子间距先增大后减小；与温度t的关系受两个方面的限制(比例线性关系和负指数关系)。一般来说，总的趋势是随着温度t降低(见图1-9)。第一章是液态金属的结构和性质。25.合金成

10、分(或微量元素)对合金液体粘度的影响：M-H模型：1。纯溶剂的粘度；2溶质的粘度；X1和X2分别是纯溶剂和溶质在溶液中的摩尔分数，r是气体常数，Hm是两种组分的混合热。如果混合热Hm为负，合金液的粘度会随着合金元素的增加而增加(负Hm表示反应是放热的，异质原子间的结合力大于同种原子间的结合力，因此摩擦阻力和粘度会相应增加)。如果溶质和溶剂在固态下形成金属间化合物，合金液体的粘度将显著高于纯溶剂熔融金属的粘度，因为合金液体中的异质原子之间存在强化学键。表面活性元素(如铝硅合金中添加的改性元素钠)降低了液体的粘度，而非表面活性杂质的存在增加了粘度。第一章是液态金属的结构和性质，26。(2)粘度在材

11、料成型中的重要性。首先介绍了运动粘度和雷诺数的概念：运动粘度是运动粘度除以密度，即运动粘度适用于大外力作用下的水力流动。这时，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略不计(采用运动粘度系数后，金和水都接近相同。例如，浇注系统的设计和计算可以根据液压原理来考虑。动态粘度适用于外力很小时，如夹杂物的上浮过程和凝固过程中的补缩，这些都与动态粘度系数有关。第一章是液态金属的结构和性质，27。流型对流动阻力的影响：根据流体力学：当雷诺数为Re2300时，为紊流；当雷诺数为Re2300时，为层流圆管；f为流动阻力系数：0.2显然，流动阻力越大，输送管道中相同体积液体所消耗的能量就越大，或者所需的压差就

12、越大。因此，层流中液体流动的能量消耗大于湍流中的能量消耗。第1章液态金属的结构和性能28粘度对成形质量和铸件轮廓清晰度的影响；影响热裂纹、缩孔和缩孔的形成趋势；影响钢铁材料的脱硫、脱磷和扩散脱氧；影响精炼效果和夹杂物或气孔的形成：熔渣和熔融金属粘度的降低有利于焊缝的合金转变。第一章是液态金属的结构和性质。29.粘度对铸件轮廓清晰度的影响。在薄壁铸件的铸造过程中，流管直径小，雷诺数小，流动特性属于层流。此时，为了降低液体的粘度，应适当增加过热或添加表面活性物质。第一章是液态金属的结构和性能，它影响着热裂纹、缩孔和气孔的形成趋势。凝固收缩产生的压差引起的自然对流属于层流，粘度对流动的影响将直接影响

13、铸件质量。第一章是液态金属的结构和性质，它影响着液态金属的质量这些反应过程的动力学(反应速度和反应进行的程度)受反应物和产物在熔融金属和熔渣中的扩散速度的影响。熔融金属和熔渣的低动力粘度有利于扩散，从而有利于去除金属中的杂质元素。第一章是液态金属的结构和性质，32。它影响精炼效果和夹杂物或孔隙的形成。熔融金属的各种精炼过程都希望去除非金属夹杂物(如各种氧化物和硫化物等)。)和来自熔融金属的气体。在金属完全凝固之前，应清除残留的(或次要的)夹杂物和气泡，否则容易形成夹杂物或孔隙。夹杂物和气泡的漂浮速度与液体的粘度成反比(流体力学的斯托克斯公式)。粘度高时，夹杂物或气泡的上浮速度小，影响精炼效果；

14、在铸件和焊缝的凝固过程中，夹杂物和气泡难以漂浮和去除，并且容易形成夹杂物或气孔。第一章，液态金属的结构和性能，33，对焊缝金属合金化转变的影响，在焊缝金属合金化方法中，常用的方法是通过含有合金元素的熔剂、涂层或型芯进行合金化转变。这种方法中的合金转变主要在熔融金属和炉渣之间的界面上进行。熔渣和熔融金属的粘度降低，进入熔渣的合金元素容易扩散到熔渣和熔池金属之间的界面和熔池金属内部。因此，炉渣和熔融金属的粘度降低有利于合金元素的转变。第一章是液态金属的结构和性能，第二章是液态合金的表面张力，表面张力的本质和影响因素，表面张力在材料成形技术中的意义，第一章是液态金属的结构和性能，第三章是表面张力的本

15、质和影响因素。表面张力及其原因表面自由能和表面张力之间的关系影响表面和界面之间表面张力的因素，第一章液态金属的结构和性能，36，1。表面张力及其原因，表面张力是表面上平行于表面切线方向的张力，在所有方向上大小相等。表面张力是由物体表面的颗粒受到的不均匀力引起的。因为液体或固体的表面原子比气体受到更大的内力，表面原子的势能由于不均匀的力而高于内部原子的势能。因此，物体往往会减少其表面积并产生表面张力。第一章是液态金属的结构和性质，37，2。表面自由能和表面张力之间的关系，表面自由能(表面能):系统单位面积产生新表面时的自由能增量。表面能和表面张力从不同角度描述相同的表面现象。虽然表面张力和表面自由能是不同的物理概念，但它们都用(或)表示，大小完全相同，单位可以互换。通常，表面张力的单位是力/距离(如N/m，dyn/cm)，表面能的单位是能量/面积(如J/m2，erg/cm2等)。)。第一章是液态金属的结构和性质，38，3。表面和界面。表面和界面的区别在于，后者一般指两相之间的界面，而前者具体指液体(或固体)和气体之间的界面，但更严格地说，它应指液体或固体与其蒸气之间的界面。广义地说，物体(液体或固体)和气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面