金属凝固原理课件

1、 第四次工业革命第四次工业革命 2014年德国汉诺威工业年德国汉诺威工业 博览会博览会4月月7日至日至11日举行。日举行。“工业工业4.0”概念受概念受 到关注。到关注。 早 在早 在 2 0 0 6 年 ， 联 邦 政 府年 ， 联 邦 政 府 高 技 术 战 略高 技 术 战 略 2020 ，即，即未来项目未来项目“工业工业4.0”。 中国制造中国制造2025-十三五规划十三五规划-中国梦中国梦 高度智能化高度智能化-信息化信息化-对人才的要求对人才的要求-跨界能力跨界能力 怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国怎样具有跨界能力？中西教育的差距？不出国 能不能赶上？怎样赶上？能不能赶上？

2、怎样赶上？ 为什么读研？职业规划？人生规划？如何实现？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？时间内培养哪些技能？ 基本思路：人文修养的提升基本思路：人文修养的提升整体思维、逻辑整体思维、逻辑 思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批思维能力、文字处理能力、搜索能力（搜商）、批 判性的思维。判性的思维。 雾里看花雾里看花-怎样看得清清楚楚，明明白白？怎样看得清清楚楚，明明白白？ 归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什归纳总结，找相同找不同，为什么相同，为什 么不同？么不同？ 学而

3、不思则罔学而不思则罔 思而不学则殆思而不学则殆 温故而知新温故而知新 “虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不虽有嘉肴，弗食不知其旨也；虽有至道，弗学不 知其善也。是故知其善也。是故学然后知不足，教然后知困。知不学然后知不足，教然后知困。知不 足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰：足，然后能自反也；知困，然后能自强也。故曰： 教学相长也教学相长也。 推荐相关的书籍：推荐相关的书籍： 肖纪美肖纪美 宏观材料导论宏观材料导论 2014.12 材料学方法论材料学方法论 1994 李庆春等李庆春等 铸件形成理论铸件形成理论 1982 胡汉起胡汉起 金属凝固原理金属凝固原理 关绍康关绍康 等等

4、 材料成型基础材料成型基础 周尧和周尧和 胡壮麒胡壮麒 介万奇介万奇 凝固技术凝固技术 Fleming M G, Solidification Processing. Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of Solidification. Switzweland: Trans Pub. Ltd,1998 汉译本汉译本 凝固原理凝固原理库尔兹和费希尔库尔兹和费希尔 大野笃美著，大野笃美著， 邢建东译，邢建东译， 金属的凝固金属的凝固理论、理论、 实践与应用。实践与应用。 第第 一一 节节 液液 态态 金金 属属 16 合成与加工合成与加工 化学成分化学成分 使用

5、性能使用性能(Service Performance) 性质性质 理论及材料设计理论及材料设计 环境影响环境影响 结构（组织）结构（组织） 材料科学与工程的内涵材料科学与工程的内涵 第第 二二 节节 凝凝 固固 过过 外，外， 还还 伴伴 随随 传传 热、热、 传传 质、质、 液液 相相 流流 动动 和和 固固 相相 运运 动。动。 这这 些些 过过 程程 不不 仅仅 对对 固固 液液 界界 面面 的的 迁迁 移移 速速 率率 及及 形形 态态 产产 生生 影影 响，响， 而而 且且 这这 些些 场场 量量 之之 间间 互互 相相 影影 响，响， 是是 一一 个个 非非 常常 复复 杂杂 的的

6、 过过 程。程。 1、 数数 字字 解解 析析 方方 法法 2、 数数 值值 计计 算算 方方 法法 3、 实实 验验 方方 法法 第第 三三 节节 液液 态态 金金 属属 （ 合合 oL oolL kD kcm R G)1 ( 2 1 AR )( 2 sm D A l L 2 2 k t )( )(2 11 2 s i TTcL TTb k 浇 n生铁冶炼技术：生铁冶炼技术：周朝末年，开始有了铸铁。铁制农具发展很周朝末年，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。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

7、技术发展奠定了基础。生铁的早期发展，为整个中国的钢铁技术发展奠定了基础。 n铸铁金属型铸铁金属型:铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、铁范：早在战国时期，已用铁范成批铸造农具、 手工工具。手工工具。 n可锻铸铁、球墨铸铁：可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。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。发现近十件石墨为球形的铸铁农具。 n层叠铸造：层叠铸造：王莽时代，一次铸王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出枚铜钱、河南温县窑出 土的土的20

8、00年前叠箱浇注的铸件，一组年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。个马嚼子。 n大型及特大型铸件：大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元沧州铁狮子：公元953年：年：50吨；当吨；当 阳铁塔：公元阳铁塔：公元1061年，年，50吨；正定铜佛：公元吨；正定铜佛：公元971年：年： 50吨；永乐大钟：公元吨；永乐大钟：公元1418年，年，46吨。吨。 n对经济文化的重大影响：对经济文化的重大影响：日常用语中：模范、范围、陶冶、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。铸成大错等来自于古代铸造术语。 战国早期。战国早期。1978年于湖北省随县（今随州年于湖北省随县（今随州 市）擂鼓墩

9、曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盘市）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，高放在一起浑然一体。尊作喇叭状，高33.1厘米，厘米， 口宽口宽62厘米。宽沿上饰玲珑剔透的蟠虺透空厘米。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。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，皆由透空的尊的颈部附饰有四头豹形爬兽，皆由透空的 蟠螭纹构成兽身，作攀附上爬状，返顾吐长蟠螭纹构成兽身，作攀附上爬状，返顾吐长 舌。在圆鼓的尊腹和高圈足部位，于浅浮雕舌。在圆鼓的尊腹和

10、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。龙，取得了层次丰富、主次分明的艺术效果。 盘高盘高24厘米，宽厘米，宽57.6厘米，深厘米，深12厘米。盘口外厘米。盘口外 折下垂，直壁平底，下附有四只龙形蹄足，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

11、丝万缕、鬼斧神最为惊人之处，就在于那千丝万缕、鬼斧神 工的透空附饰。工的透空附饰。 据冶金专家鉴定，该器是使用失蜡法铸据冶金专家鉴定，该器是使用失蜡法铸 造成的造成的。 出土文物 曾侯尊盘曾侯尊盘 编钟编钟战国早期。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 （Bronze Age)（Bronze Age) 巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址） 青铜器时代: 青铜器时代: 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 ron Age（I）铁时 器器代代 计算机模拟车桥壳凝固过程示

12、意图 沈阳铸造所：电渣熔铸工艺沈阳铸造所：电渣熔铸工艺 铸造的三峡水轮机导叶铸造的三峡水轮机导叶 重重13 吨吨 尺寸：136020301360mm3 重量：1.3T 材质：QT400-18AL 宝马发布镁合金直列6缸引擎 消失模铸造消失模铸造如下图所示。如下图所示。 消失模铸件消失模铸件 V 法 铸 造 全国最先进V法铸钢生产线 单幅宽为单幅宽为2.8米，整幅宽为米，整幅宽为5.6米，为目前中国最大宽幅米，为目前中国最大宽幅EVA铸造膜铸造膜 2.1液态金属的结构 一、一、液态金属结构的研究方法液态金属结构的研究方法 结结 构构 研研 究究 理论研究理论研究 动力学法动力学法 MonteCa

13、lo法法 逆逆MonteCalo法法 试验研究试验研究 结构敏感物理量测量结构敏感物理量测量 法量法量 核物理法核物理法 吸收技术吸收技术 衍射技术衍射技术X射线衍射、中子衍射和电子衍射线衍射、中子衍射和电子衍 射射 第一性原理第一性原理 从头计算法从头计算法 等温等压法等温等压法 非平衡分子动力学非平衡分子动力学 二、结构因子二、结构因子S(Q） g(r)r4 0 2 双体分布函数双体分布函数g g(r)(r) 可以较好地描述液体可以较好地描述液体 在平衡态下的结构和性质在平衡态下的结构和性质 径向分布函数径向分布函数 (a) 气体气体 (a) 液体液体 (a) 固态晶体固态晶体 晶态固体

14、表表1 几种晶态纯金属熔化时的热物理性能变化几种晶态纯金属熔化时的热物理性能变化 说明：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 。 图图1-4 7001-4 700时，液态时，液态AlAl中原子分布曲线，当中原子分布曲线，当rr时，时，(r) (r) 0 0, ,表示表示 在较大体积中的原子平均密度（相当于非晶体态材料）在较大体积中的原子平均密度（相当于非晶体态材料） 原子间距 配位数 固态金属：一条条清晰的线；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。液态金属：一条条带，第一峰值与固态衍射线极为相近。 结论：结论： 液态金

15、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。一致。但原子间距、空穴增多，配位数略有变化。 三、三、金属的液态结构金属的液态结构 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。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。 液体由许多原子集团组成（十几个液体由许多原子集团组成（十几个几百个原子组成的），原子集团内几百个原子组成的），原子集团内 保持固态特征保持固态特征“拓扑（短）近程有序排列拓扑（短）近程有序排列”。（。（Topologica

16、l 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，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时而消失，此起彼落，液态金属结构存在不稳定性 结构起伏结构起伏 （structure Fluctuating）每时每刻都有原子的能量高于平均能量，也）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。（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，

17、并且这种原在实际金属熔体中，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“化学短程有化学短程有 序（序（Chemical Short Range Ordering）”，即，即“浓度起伏浓度起伏 （Concentration Fluctuating）”或或“成分起伏成分起伏” 。 原子集团平均尺寸及原子集团平均尺寸及“游动游动”速度均与速度均与T有关。有关。 具有中间金属化合物的合金熔体中既有具有中间金属化合物的合金熔体中既有“短程有序短程有序”又可能存在又可能存在 “中程有序（中程有序（Medium

18、 Range Ordering）”。 “中程有序中程有序”指的是处于指的是处于“短程有序短程有序”和和“长程有序长程有序”之间的有序情之间的有序情 况，属于尺寸较大的原子集团。况，属于尺寸较大的原子集团。 “中程有序中程有序”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。应相结构等因素有关。“中程有序中程有序”在纯金属和简单二元共晶成分的合金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。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。 引力波引力波 引力波引力波的发现验证

19、了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言，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、（光学、红外、射电、X射线等）、粒子（中微子、宇宙线）之外，一个射线等）、粒子（中微子、宇宙线）之外，一个 全新的窗口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、物质粒子作为观察宇宙的凭借口中，我们不再是以电磁场、物质粒子作为观察宇宙的凭借我们感受我们感受

20、 的，是时空本身的颤动！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）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终并合之后，融合成的大黑洞会经过几下“摇摆

21、摇摆”，才会融成完美的球形。，才会融成完美的球形。 “在在星际穿越星际穿越和和三体三体中，都不约而同地将引力波选为了未来中，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：一个重大的信息： “引力波的直接探测实现了引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目年前就设定好了的伟大目 标：直接探测难以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在标

22、：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周年之际完美地续写爱因斯坦的传 奇。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！一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在，我们，找到了！” 马马 克斯普朗克引力物理研究所博士生，明镜克斯普朗克引力物理研究所博士

23、生，明镜 量子缠绕理论量子缠绕理论 65 5、实际、实际金属的液态结构金属的液态结构 与与理想的纯金属液态结构理想的纯金属液态结构的主要区别是：的主要区别是：实际液态金属存在三种起实际液态金属存在三种起 伏伏 ：“结构起伏结构起伏”、“浓度起伏浓度起伏” 和和“能量起伏能量起伏”。 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，它是一种多固态、气态或液态的化合物组成的，它是一种“混浊混浊”的液体；而从的液体；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，还存在其它多化学键上看，除

24、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。种类型的化学键。 熔体与周围环境（如熔炼或焊接气氛、熔剂等）熔体与周围环境（如熔炼或焊接气氛、熔剂等） 相互作用；相互作用； 熔化条件多种多样（如压力、外场作用等）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

25、最终目的程、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；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液态金属的性质液态金属的性质 一、一、液态金属的粘滞性液态金属的粘滞性 图1-6液体内各层的流速 （层流流动） 粘滞性的本质粘滞性的本质 a.a.粘度、动力粘度和运动粘度粘度、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。摩擦力。物理意义：液体流动性的倒数。

26、 动力粘度：两层金属间的相互作用力动力粘度：两层金属间的相互作用力 （内摩擦力）。（内摩擦力）。 牛顿的液体粘滞流动定律：牛顿的液体粘滞流动定律： 粘滞系数接触面积 （动力粘度） 据弗伦克尔的液态结构的理论，粘滞据弗伦克尔的液态结构的理论，粘滞 系数用下式表示：系数用下式表示： kT Q e kT 3 0 2 和Q与原子间结合力有关 dy dv s x F(x) dy d s xF x )( 图图1-7金属的金属的 动力粘度动力粘度与温与温 度关系度关系 b. 粘滞性的本质：质点间（原子间）结合力的大小。粘滞性的本质：质点间（原子间）结合力的大小。 运动粘度运动粘度v： v 液体的密度液体的密

27、度 流体的紊流倾向大流体的紊流倾向大 2.影响粘度的因素影响粘度的因素 a.a.温度的影响温度的影响 理论分析理论分析： kT Q e kT 3 0 2 温度较低（过热度低）时，温度较低（过热度低）时， TT 温度很高时，温度很高时，T T （接近气态）（接近气态） 图图1-8Fe-C合合 金的动力粘度金的动力粘度 与的温度关系与的温度关系 图图1-10粘度与成分关系粘度与成分关系 b.化学成分的影响化学成分的影响 难熔化合物的粘度较高，难熔化合物的粘度较高， 而熔点低的共晶成分合金粘度而熔点低的共晶成分合金粘度 低。低。 粘度与熔点有相似性粘度与熔点有相似性 c.非金属夹杂物的影响非金属夹杂

28、物的影响 固态的非金属夹杂物使合金粘度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。增加。液体流动时的内摩擦力增加。 MnS、Al O、 、SiO 等。 等。 3.粘度对铸件形成过程的影响粘度对铸件形成过程的影响 a.对液态金属流态的影响对液态金属流态的影响 雷诺常数：雷诺常数： D是管道直径，是管道直径，V是液体流速是液体流速 Re2300，紊流；，紊流；Re2300，层流，层流 DV v DV Re 流动阻力系数：流动阻力系数： 2 . 0 2 . 0 2 . 0 D 092. 0 D 32 ）（ ； 紊层 V f V f 对对f影响大影响大 对对f影响小影响小 一般浇注情

29、况下，浇注系统及型腔中为紊流。而型一般浇注情况下，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。故腔的细金属部分，或充型的后期为层流。故对型对型 腔的细薄部分充型有利，且可防止浇不足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温度差和浓度差引起对流，对流强度用格拉索夫 准则度量：准则度量： 2 23 2 2 3 ; cLg G TLg G c c r r 液体流动对结晶组织，溶质分配，偏析，夹杂物的聚合物液体流动对结晶组织，溶质分配，偏析，夹杂物的聚合物 都有影响。都有影响。 c.对液态金

30、属净化的影响对液态金属净化的影响 球形、半径小于球形、半径小于0.1mm0.1mm、且满足小颗粒，上浮、且满足小颗粒，上浮 的条件：的条件： 1 2 Re rv g)( 9 2 2 杂液 r V V杂质留在液体中的可能性越大。杂质留在液体中的可能性越大。 二、液态金属的表面张力二、液态金属的表面张力 铸件形成过程存在多种相及相界面铸件形成过程存在多种相及相界面 界面反应界面反应 表面张力研究的重要性。表面张力研究的重要性。 a.a.表面张力的本质表面张力的本质 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，称为表面张力张力，称为表面张力。

31、表面张力是气表面张力是气/ /液界面现象，它的的大小与液相和气相液界面现象，它的的大小与液相和气相 的性质有关。的性质有关。 产生张力的表面层厚度不超过产生张力的表面层厚度不超过1010-7 -7cm cm，相当于几个原，相当于几个原 子子( (分子分子) )液层厚度。液层厚度。 由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，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。如图能。如图111所示。所示。 设表面设表面S在绷紧力在绷紧力F的的 作用下，拉长了作用下，拉长了dx距离，距离， 则外力所做的功为：

32、则外力所做的功为： 进一步可得进一步可得: 图图111表面张力简图表面张力简图 因此，表面张力因此，表面张力 是表面是表面S S内垂直内垂直F F方向的单位长度上方向的单位长度上 的拉紧力的拉紧力。 也是也是增加单位表面积增加单位表面积dA外力所做的可逆功，称之为表外力所做的可逆功，称之为表 面能面能。 注意注意： 表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表 面张力为面张力为10-1N/m，则表面能为，则表面能为10-1J/m2。 由相关热力学公式可得由相关热力学公式可得 此式表明，表面张力此式表明，表面张力 就是单位面积上的自由能。就是单位面积上

33、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。的功。 b.b.润湿角润湿角 严格地说，表面张力严格地说，表面张力 应称界面张力（包括：液应称界面张力（包括：液- -气、固气、固 - -固、固固、固- -液、固液、固- -气等）。气等）。 LG LS 润湿角指的是液相与气相间的界面张力润湿角指的是液相与气相间的界面张力 与固相与液与固相与液 相间的界面张力相间的界面张力 之间的夹角，之间的夹角， LG 材料结构与性能材料结构与性能 6.1

34、 晶体表面晶体表面晶体表面晶体表面 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）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 清洁清洁表面区电子表面区电子密度分布的变化密度分布的变化/现象一现象一 金属材 料 ：金属材 料 ： 表面偶 向 真表面偶 向 真 空伸入 约 伸空伸入 约 伸 入约入约0.1nm 垂直表面方向上晶体内部垂直表面方向上晶体内部 周期性遭到破坏，因而在表周期性遭到破坏，因而在表 面附近的电子分布发生变，面附近的电子分布发生变， 影响表面原子排列。在表面影响表面原子排列。在表面 形成一层稀薄的电子云，形形成一层稀薄的电子云，形

35、 成一个偶电层。成一个偶电层。 无表面影响无表面影响 表面电子逸出形成电子云表面电子逸出形成电子云 材料结构与性能材料结构与性能 6.1.1.2 表面弛豫和再构（表面弛豫和再构（Relaxation and Restructure ） 表面原子表面原子也会发生向表面法线方也会发生向表面法线方 向的弛豫。可向外膨胀或向内收向的弛豫。可向外膨胀或向内收 缩，这由于表面原子在真空一侧缩，这由于表面原子在真空一侧 丧失了近邻原子而出现丧失了近邻原子而出现“悬挂悬挂 链链”，表面及附近原子达到新的，表面及附近原子达到新的 平衡位置。平衡位置。 注：一般来说，保留了平行表面注：一般来说，保留了平行表面 的

36、原子排列二维对称性。的原子排列二维对称性。 理想的解离表面理想的解离表面 表面向外弛豫表面向外弛豫 外层外层4个原子层的再构（假想模型）个原子层的再构（假想模型） 图图112 气固液三相交点处质点气固液三相交点处质点A的受力示意图的受力示意图 A点受到三个界面张力点受到三个界面张力 、 、 。 LS LG SG 当质点当质点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（氏（Young）方程。）方程。 cos LGLSSG LG LSSG - cos 为表面张力与固液界面的夹角，即润湿角为表面张力与固液界面的夹角，即润湿角(Wetti

37、ng Angle) 润湿角润湿角 SG LG ,90润湿润湿 ；如水在玻璃上能铺成一层，称；如水在玻璃上能铺成一层，称 为玻璃被水润湿为玻璃被水润湿 。 0，完全润湿；，完全润湿；液体在固体表面液体在固体表面 铺展成薄膜铺展成薄膜 。 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。相润湿程度。 SGLG ，90不润湿；液体倾向于呈球形，称为液不润湿；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体不能润湿固体，如水银与陶瓷间及金属液与SiO2间。间。 180180，完全不润湿。，完全不润湿。 不润湿 润湿 c.c.

38、影响表面张力的因素影响表面张力的因素 a)a)熔点熔点( (熔点熔点界面张力界面张力）；）； c.c.影响表面张力的因素影响表面张力的因素 b)b)温度温度( (除铸铁，碳钢，铜及其合金外，温度除铸铁，碳钢，铜及其合金外，温度表面表面 张力张力 ； c)c)溶质溶质 表面活性元素表面活性元素：降低表面能，正吸附；非表面活性：降低表面能，正吸附；非表面活性 元素：增大表面能，负吸附）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，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。起净化金属液的作用。 d.d.表面张力引起的附加压力表面张力引起的附加压力

39、 用一根玻璃管吹一个肥皂泡，用一根玻璃管吹一个肥皂泡， 若将管口堵住若将管口堵住肥皂泡可以长时间存在肥皂泡可以长时间存在 若不堵住管口若不堵住管口肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液 滴。滴。 WHY? 现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。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 内收内收 缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加 压力。压力。 要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必要使

40、气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必 须须 有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的 压力必压力必 须大于外压。须大于外压。 附加压力的大小和液面的曲率半径有关。附加压力的大小和液面的曲率半径有关。 Pg P1 Pg P1 Pg P1 LG 图图1-13弯曲液面的附加压力弯曲液面的附加压力 (a) 水平液面 (b) 凸液面 (c) 凹液面 rr F P LG 2 2 1 r1/r2界面上两个相互垂直弧线的曲率半径界面上两个相互垂直弧线的曲率半径 当为球状时当为球状时 21 rr P LG e.e.毛细现象毛细现象 在日常生活中常

41、见到玻璃毛细管插入水中或油中，管内液在日常生活中常见到玻璃毛细管插入水中或油中，管内液 面将上升或下降，这种具有细微缝隙的固体与液体接触时，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。液体沿缝隙上升或下降的现象称为毛细现象。 图图1-141-14毛细管现象毛细管现象 当液柱高度不再变化时，上升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液柱产生的静压力与附加压力的数 值相等。值相等。 即即 gh r P LG 1 2 为液体密度；为液体密度；g为重力加速度；为重力加速度；r1为毛为毛 细管半径；细管半径；h为液面上升高度为液面上升

42、高度 在一定温度下，毛细管的半径在一定温度下，毛细管的半径r愈小，液体对管愈小，液体对管 壁的润湿愈好，液体在毛细管中上升的愈高。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，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，管中形成凸液面，h为负值，毛细管内液面低于管外为负值，毛细管内液面低于管外 液面，即毛细管中液面下降。液面，即毛细管中液面下降。 g h LG cos2 f.表面张力在材料成形中的作用和意义表面张力在材料成形中的作用和意义 (a) (a) 表面张力对粘砂和充填最小直径的影响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

43、，金属液是否渗入砂型毛细管（砂粒与砂粒间在砂型铸造过程中，金属液是否渗入砂型毛细管（砂粒与砂粒间 的孔隙）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的孔隙）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。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）粗细有关） 。 c r gh r LG c 2 冶炼正常的合金液，不润冶炼正常的合金液，不润 湿型壁，有助于防止机械粘沙。湿型壁，有助于防止机械粘沙。 但对于薄壁，棱角处，需要克但对于薄壁，棱角处，需要

44、克 服附加压头。服附加压头。 图图1-15不润湿时管中液面情况不润湿时管中液面情况 Rgr h LG cos2 只有满足附加压头：只有满足附加压头：Hh时，铸型中的时，铸型中的 细薄部位才能充满。细薄部位才能充满。 (b) (b) 表面张力对液态金属净化的影响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夹杂能够被气泡粘附而上浮，必须满足的热力学条件 为为： 0 GSLGLS 液体与夹杂间的界面张力液体与夹杂间的界面张力 液体的表面张力液体的表面张力 夹杂的表面张力夹杂的表面张力 0 MSSLML A W 熔剂与熔体间的界面张力熔剂与熔体间的界面张力 熔体与夹杂间

45、的界面张力熔体与夹杂间的界面张力 熔剂与夹杂的界面张力熔剂与夹杂的界面张力 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 0 A W A W 越大，对熔剂吸附夹杂越有利越大，对熔剂吸附夹杂越有利 。 熔剂的精炼能力熔剂的精炼能力 选择熔剂的依据选择熔剂的依据 熔剂是否易于与熔体分离可用下式判断：熔剂是否易于与熔体分离可用下式判断： MLMGLG A W 熔体的表面张力熔体的表面张力 熔剂的表面张力熔剂的表面张力 熔剂与熔体的界面张力熔剂与熔体的界面张力 越小，熔剂越易与熔体分离。因此选择熔剂越小，熔剂越易与熔体分离。因此选择熔剂

46、时，应当使其与合金的界面张力尽量大，而其本身的时，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。表面张力应尽量小。 A W 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在

47、 铝铝 合合 金金 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 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 表表 面面 张张 力力 在在 铝铝 合合 金金 (c) (c) 表面张力对熔化焊中熔滴过渡的影响表面张力对熔化焊中熔滴过渡的影响 在熔化极电弧焊时，颗粒状熔滴在熔化极电弧焊时，颗粒状熔滴 欲从焊丝或焊条端部向熔池中过渡，欲从焊丝或焊条端部向熔池中过渡， 必须先形成细颈，而后细颈拉断完成必须先形成细颈，而后细颈拉断完成 熔滴过渡。熔滴过渡。 图图1-16 熔滴过渡熔滴过渡 表面张力较小的熔滴，形成细表面张力较小的

48、熔滴，形成细 颈时的阻力小，熔滴颗粒减小，使颈时的阻力小，熔滴颗粒减小，使 得熔滴过渡频率提高，电弧稳定性得熔滴过渡频率提高，电弧稳定性 较好，不易产生飞溅。较好，不易产生飞溅。 (d) (d) 表面张力对复合材料制备的影响表面张力对复合材料制备的影响 在金属基复合材料制造过程中的主要困难就是在金属基复合材料制造过程中的主要困难就是 液态金属对增强体的不润湿本性。液态金属对增强体的不润湿本性。 在在陶瓷颗粒或纤维表面进行陶瓷颗粒或纤维表面进行涂覆涂覆处理处理、向金属熔、向金属熔 体中添加表面活性元素、机械搅拌、对陶瓷颗粒或纤体中添加表面活性元素、机械搅拌、对陶瓷颗粒或纤 维表面进行超声波处理等方法均可以维表面进行超声波处理等方法均可以改善熔融金属对改善熔融金属对 增强体的润湿性增强体的润湿性，从而提高复合材料的力学性能。