第6章液态金属的结构与性质.ppt

1、第二篇 液态成形基础-第6章 液态金属的结构与性质,中国矿业大学材料科学与工程学院,金属从固态熔化为液态时的状态变化,固态原子在平衡位置振动,振动频率加快，振幅增大,达到新的平衡位置，晶格常数变化,超过原子激活能,原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴,离位原子达到某一数值,加热,加热,加热,金属由固态转变为液态,体积膨胀约3% 5% ，电阻、粘度发生变化,温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子,原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸,6.1 液态金属的结构6.1.1 液态金属的实验结果及分析,?,?,?,金属中的原子结合,R，F 0 R R0 ，F0（引力） 靠拢 R R0

2、，F0（斥力） 分开 R R0 ，F0 平衡,图1-1,6.1 液态金属的结构6.1.1 液态金属的实验结果及分析,1 熔化时的体积变化,热运动,金属的加热膨胀（能量角度）,升温,热振动加剧，E转化为势能达新的平衡,R1、R2、R3 （R0）,平衡距离增加（膨胀）,6.1 液态金属的结构6.1.1 液态金属的实验结果及分析,能量起伏(内蒸发):空穴的产生,温度愈高，原子的能量愈大，产生的空穴数目愈多，金属膨胀； 体积变化甚小，固液态原子间距差较小表6-1。,1 金属的体积变化-膨胀,6.1 液态金属的结构,2. 液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）,（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）

3、金属加热时，Em增加； 金属的熔化首先是从晶界开始； 当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之间更容易产生相对运动；,晶内,晶界,6.1 液态金属的结构,热容：使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。热容变化不大，液体中质点热运动特点和固体接近表6-2； 熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要继续提供能量使原子间的结合键进一步破坏，配位数的变化，与气化潜热的比较； 熔化熵：熔化时，熵增，系统内部混乱度增加。,2. 液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）,表6-3 几种金属的熔化潜热与气化潜热,3 X射线衍射分析 右图是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。

4、横坐标 原子球体的半径。 纵坐标 表示原子密度，其中（r）称为密度函数。,700液态铝中原子密度分布线,固态金属 原子在某一平衡位置 热振动 因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值。,700液态铝中原子密度分布线,但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。 这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置。,表6-5 x射线衍射所得液态和固态金属结构参数,因此，金属的熔化并不是原子间结合的全部破坏，液体金属内原子的分布仍具有一定的规律性，其结构类似于固

5、态。,6.1 液态金属的结构6.1.1 液态金属的实验结果及分析,1 液态原子间距略大与液/固转变体积增大吻合； 2 配位数略减小，导致体积增大； 3 混乱度增加，熵增。,6.1 液态金属的结构,6.1.2 实际金属的液态结构,纯金属的液态结构,原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。原子集团的“近程有序”，远程无序排列； 原子热运动激烈，“能量起伏”大，集团“游动”，时大时小相起伏； 原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”；（解释：大部分金属熔化时电阻率增加？） “游动”、尺寸与温度的关系。,6.1 液态金属的结构,实际金属的液态结构,原子间结合力不同，产生的

6、起伏,能量起伏,浓度起伏,结构起伏,6.1.2 实际金属的液态结构,6.1 液态金属的结构,实际金属的液态结构,A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；,A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;,假如B-B结合力A-A及A-B：吸附甚至分层；,仅含一种杂质元素为例:,6.1.2 实际金属的液态结构,6.1 液态金属的结构,6.1.3 液态金属结构理论,（1）凝聚理论 假设成稠密气体，通过修正状态方程，描述液态金属结构 （2）点阵理论 晶体缺陷模型 微晶模型 空穴模型 位错模型 综合模型 问题：假设长程有序 ； 熵的变化 （3）几何理

7、论 无规密堆硬球模型（刚球模型） （2）,6.2 液态金属的物理性质,熔点和熔化潜热 沸点和蒸发热 比热容 导热性 热膨胀和固体收缩率 扩散系数,确定蒸发损耗程度： ；,热容小，激冷程度明显，影响充型；,动力,6.2.7 液态金属的黏度,液态金属的黏度对能否获得健全铸件有密切关系, 剪切应力 vx 流动速度 速度梯度,黏度的物理意义： 当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力; 作用于液体表面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,6.2 液态金属的物理性质,6.2 液态金属的物理性质,粘滞 系数,运动黏度： 运动黏度物理意义：,v=/,表征液体质点保持自身运动方向的惯性大

8、小。,6.2.7 液态金属的黏度,富林克尔表达式：,1 粘度的影响因素,0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为1013 s）,kB：Bolzmann常数,U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒,：相邻原子平衡位置的平均距离,T：热力学温度,可以看出，影响粘度的因素有：,a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。,液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高,粘度的本质：原子间的结合力,b.原子间距. 粘度随原子间距增大而减小。,c.温度T.,由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而20KT /3项则与温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温

9、度增高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线增加（正比）。（显然，这种情况已是接近气态了。）,总的趋势：随温度T的升高而下降,d.合金元素和夹杂物,表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高,6.2 液态金属的物理性质,6.2.7 液态金属的黏度,e 化学成分,粘度本质 原子间的结合力 （与熔点有共性） 状态图,难熔化合物的粘度较高（熔点高，结合力强），而熔点低的共晶成分合金其粘度较低；,6.2 液态金属的物理性质,2 黏度对液态成形过程的影响,流态：层流和紊流；雷诺系数Re2320时，紊流,6.2.7 液态金属的

10、黏度,对液态金属充型速度的影响,运动黏度大，需要较大充型速度，而不至于出现紊流。紊流严重时，容易吸气和卷渣，因此层流是人们希望的； 运动黏度小，需要较小充型速度，又对薄壁铸件不利，容易浇不足。,对液态金属流动阻力的影响,f层=32/Re， f紊=0.092/Re0.2 0. 2,6.2 液态金属的物理性质,2 黏度对液态成形过程的影响,6.2.7 液态金属的黏度,f层 f紊, 紊流有利于充满型腔,6.2 液态金属的物理性质,对液态金属对流的影响,产生对流的条件：温差和浓度差浮力黏滞力 对流强度-格拉晓夫准则数：, C,动力黏度越大，则对流强度越小,2 黏度对液态成形过程的影响,夹杂和气泡上浮的

11、动力,即二者重量之差,在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动,根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Pc为：,r为球形杂质半径，v为运动速度,杂质匀速运动时，PcP，故,可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比,对液态金属净化的影响,2 黏度对液态成形过程的影响,6.2 液态金属的物理性质,6.2.8 液态金属的表面张力,1 表面张力的产生,表面：液体与气体间的接触面； 表面张力：接触面上产生的力。,F=b W=bl=S =E,表面张力 表面能 界面张力 界面能,概念：,6.2 液态金属的物理性质,2 影响表面张力的因素：内部质点对表面质点的吸引力,

12、化学键： 温度：，, 特殊现象Cu 、铸铁；,键能越大，对表面质点的吸引力也越大，表面张力越大 表6-6,正吸附和负吸附； 表面活性物质和非表面活性物质：,6.2 液态金属的物理性质,化学成分：,单位表面积上吸附量的吉布斯公式：,=-c/RT d/dc,单位表面积上较内部多（或少）吸附的溶质的量,d/dc0，正吸附； d/dc0：,2 影响表面张力的因素,金属液的表面张力可以改变,铝液中加入第二元素,镁液中加入第二元素,6.2 液态金属的物理性质,3 润湿现象,cos(SG-LS)/LG,能润湿； 完全润湿； 不能润湿； 完全不润湿。,6.2.8 液态金属的表面张力,Wetting Pheno

13、mena in Nature,水面上走动的鼓虫,鼓虫的足与水面的关系,浮在水面的白天鹅,天鹅羽根的模型,(b)微观模型,(a)宏观模型,4 附加压力以及对铸造成形的影响 通过产生附加压力,6.2 液态金属的物理性质,R,dV dS,拉普拉斯方程,P,R1、R2两相互垂直的平面与液气曲面相交形成的两条弧线的曲率半径,在一定温度下，毛细管的半径愈小，液体对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；液体不润湿，则形成凸液面，液面下降,6.2 液态金属的物理性质,表面张力意义,表面张力对黏砂和充填最小值的影响,机械黏砂的毛细管临界半径：,rc=2LGcos/gh,4 附加压力以及对铸造成形的影响,附加压头：要克

14、服铸型的界面张力，必须增加一个附加压头,铸型孔隙大，表面张力小，润湿角小，易粘砂； 金属氧化物，润湿，粘砂。,6.2 液态金属的物理性质,4 附加压力以及对铸造成形的影响,表面张力对液态金属净化的影响,上浮条件：LSLGSG 不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；,cos=(SG-LG)/LG,气泡黏附,作业一：,1试推导/(r1+r2) 2画出毛细管现象图（凸液面）； 3设钢液与砂型绝对不润湿，钢液的密度为7000kg/m3，表面张力为1.5N/m，求充填厚为5mm的薄板时所需的附加压头。计算结果说明什么。 4液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和附加压力有何区别？,6.3 液态金属的充

15、型能力,6.3.1金属液流动性与充型能力,“流动性”液体金属本身的流动能力,由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。,流动性测试方法：螺旋型试样流动长度。,6.3 液态金属的充型能力,6.3.1金属液流动性与充型能力,充型时的两种停止流动方式,（1）窄凝固范围的合金纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）,（2）宽凝固范围的合金结晶温度范围宽,(1)窄凝固范围的合金,(2)宽凝固范围的合金,充型能力的计算,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t,充型能力液体金属充满型腔的能力,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。,第一类因

16、素金属性质方面：1，c1, 1, L, , , T(结晶特点),第二类因素铸型性质方面：2，c2, 2, T型，涂料层，透气性,第三类因素浇注条件方面： T浇，H(压头)，外力场,第四类因素铸件结构方面： 铸件厚度，结构复杂程度(型腔),6.3 液态金属的充型能力,6.3.2 充型能力的影响因素及提高措施,内因 外因,1 内因,（1）化学成分,图6-7 Pb-Sn合金流动性与成分之间的关系图,合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。,Al-Si合金流动性与成分及过热温度的关系,（2）凝固潜热 L越大，充型 能力越好,（3）金属的比热容、密度和热导率,（4）液态金属的粘度,（5）表面张力,比

17、热容和密度较大的合金，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，流动性好。,金属液在浇注前期为紊流运动，粘度（内摩擦力）对流动性的影响不明显。在充型的最后阶段，粘度对流动性才表现出较大的影响。,表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响 。,铸型阻力: 铸型的冷却能力：,表面状况、腔内反压力,铸型的蓄热系数b2，减小蓄热 铸型温度,措施,预热铸型； 金属型表面涂覆带石棉粉涂料； 砂型采用烟黑涂料及改变型砂。,6.3 液态金属的充型能力,2 外因,工艺方面影响因素,浇注温度： 静压头： 浇注系统压头损失： 外力场等。,铸件结构方面影响

18、因素,型腔的复杂度： 铸件的模数：铸件体积与表面积的比值。,6.3 液态金属的充型能力,半固态指合金在液相线和固相线之间的状态,ab液相线,acb固相线,6.4 半固态合金的流变性及半固态成形,6.4.1半固态金属的流变性,液态压铸树枝晶组织 半固态压铸非枝晶组织 （Mg-9%Al合金） （Mg-9%Al合金）,具有独特的非枝晶、近似球形,6.4.1半固态金属的流变性 1 表观黏度的概念,半固态金属在流动、变形过程中的力学性质。通常采用半固态金属的表观粘度来描述之。,表观粘度： 表征半固态浆料的粘性，以区别服从牛顿粘性定律液体的动力粘度。,牛顿流体：,非牛顿流体：,图610剪切速率对表观粘度的影响,6.4.1半固态金属的流变性 2 影响流变性的因素,半固态合金虽然具有流动性，但其表观黏度远远高于全液态合金，这种高黏度固液两相体的铸造是困难的。从流变铸造的角度讲，表观黏度是流变铸造的主要方面。,1）固相体积分数 2）剪切速率,图612 冷却速度对表观粘度的影响,3）冷却速率 4）合金成分,流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给于强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变为梅花