液态金属的结构和性质PPT学习教案

1、会计学1 液态金属的结构和性质液态金属的结构和性质 配料（固态金属原料） 熔炼 液态金属 浇入铸型 冷却 脱模、清理 合格的毛坯或铸件（固态金属） 冲天炉 感应电炉 电弧炉 满足成分、温度等 砂型 金属型 消失模 模壳 零件材质 零件图 铸件图 铸造工艺设计 制模、制芯 铸型准备 第1页/共58页 1 适应性强 能铸造小至几克，大至数百吨；壁厚从0.2mm至1m；长度从几毫米至十几米；形状从简单至任意复杂的铸件。也就是说，铸造不受尺寸大小、形状复杂程度的限制。就金属种类而言它适用于各种合金，如常用的铁碳合金(铸铁、铸钢)、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金以及各种难熔合金等 2 可以利用某

2、些合金的特性 对于脆性金属或合金，铸造是唯一可行的加工方法。因此，可以利用某些合金的特性，如铸铁的切削性、振动吸收性、耐热性、耐磨性；高锰钢的耐磨性等，生产铸件满足使用要求。 第2页/共58页 4 成本低 铸件在一般机器中占4080的重量，而成本只占机器总成本的2530。成本低的原因是：1)容易实现机械化生产；2)可大量使用废旧金属料；3)与锻造相比动力消耗少；4)尺寸精度高，加工余量小，节约加工工时。 5、缺点 （1 ）铸件尺寸均一性差； （2） 与压力加工和粉末冶金相比金属的利用率低； （3 ）内在质量比锻件差； （4 ）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等 第3页/共58页

3、第4页/共58页 曾侯乙编钟（战国时期，距今2400余年），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆。右图为出土现场。 第5页/共58页 巧夺天工的曾侯乙尊盘。 是一件外形美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，各不相连，堪称稀世珍品。 战国时代的“冰箱 ”曾侯乙冰鉴 第6页/共58页 明永乐大钟，铸于永乐18年前后（公元14181422年），中国现存最大的青铜钟。 铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟

4、合金成分为：铜80.54、锡16.40、铝1.12，为泥范铸造。 现存北京大钟寺。 第7页/共58页 第8页/共58页 第9页/共58页 湖北当阳铁塔，铸造 于北宋嘉佑六年（公 元1061年），八面十 三层 ，高16.945米, 据铭文记载的铁塔重 七万六千六百斤,当 时是就地设炉分层铸 造,采用堆土法而建 起来,各层之间重叠 摆放,没有焊接 ,整 个塔身玲珑隽秀,从 上到下,自里而外全 生铁浇铸,仅塔刹在 清代以青铜重铸. 第10页/共58页 江苏吉鑫风能科技有限公司的展品是目前最大发电功率的3MW轮毂铸件，该产品采用无冒口铸造工艺，可耐-40低温，工艺水平和产品质量均达到了世界领先水平。

5、第11页/共58页 三峡700MW水轮机组配套 的大型水轮机叶片在力学 性能、表面质量等方面均 达世界一流水平 第12页/共58页 第13页/共58页 中国和美国中国和美国19962001年铸件产量（万吨年铸件产量（万吨） 主要发达国家19962001年铸件产量（万吨） 2008年世界铸件总产量为9345万吨，中国为1700万吨。 其中主要铸件生产国美国、日本、印度均下降。 第14页/共58页 （2）铸造装备升级 大容量、专业化、高精度、节能、环保、低噪音方向发展 （3） 企业上规模、上档次、重环保，演绎可持续发展 第15页/共58页 第16页/共58页 第一章第一章 液态金属的结构和液态金属

6、的结构和 性质性质 东北大学秦皇岛分校材料科学与工程系材料成形原理 林晓娉 教授 第17页/共58页 第18页/共58页 物质是由原子构成的，原子之间存在着相互作用力，即库仑引力和库仑斥力，如图1-1所示。当原子间的距离为R0时，原子受到的引力与斥力相等，处于平衡状态，而向左和向右运动都会受到一个指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附近做简谐振动，维持晶体的固定结构。 图1-1 原子间的作用力 第19页/共58页 当温度升高时，原子振动能量增加，振动频率和振幅增大。以双原子模型为例，假设左边的原子被固定不动而右边的原子是自由的。则随着温度的升高，原子间距将由R0R1R2R3R4；原子的能

7、量也不断升高，由W0W1W2W3W4。原子间距随温度升高而增加，即产生膨胀，如图1-2所示。膨胀只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。 图1-2 加热时原子间距和 原子势垒的变化 第20页/共58页 第21页/共58页 d()ddd q EUpVUp VH 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT pdVdU TT E ds g 1 第22页/共58页 第23页/共58页 第24页/共58页 第25页/共58页 第26页/共58页 第27页/共58页 第28页/

8、共58页 drr4r 2 r r 2 1 2 4 参考原子 r dr -为至所选定原子的距离。从三维空间 说，相当于一所选定原子为中心的一系 列球体的半径。 -密度函数 -表示围绕所选定原子的 半径为r,厚度为dr的一层球壳层中的原 子数的多少。 第一个等同配位壳层中的原子数目实 际上就是液态金属的配位数。 配位数= 为一个单峰的外推边界 r1 r2 21 r ,r drr4r 2 r r 2 1 d4 2 第29页/共58页 右图为700时液态Al中原子分布曲线。 柱状线表示固态Al中原子的分布规律。固态铝中 的原子位置是固定的，在平衡位置附近作热振动 ，故球壳上的原子数显示出是某一固定的数

9、值， 呈现一条条的柱状线。每一条柱状线都有明确的 位置和高度值(原子数)。 若700液体铝是理想的均匀非晶态液体， 则其原子分布为抛物线。 实际的700液体铝的原子分布为一条有多 个峰谷的曲线，是连续非间断的。曲线的第一个 峰值和第二个峰值接近固态时柱状线的高度值( 原子数)，此后就接近于理想液体的原子平均密 度分布曲线了。这说明原子已无固定的位置，是 瞬息万变的。液态铝中原子的排列在几个原子间 距的范围内，与固态铝原子的排列方式基本一致 ，而远离选定原子后就完全不同于固态了 。 图1-3 700时液态Al中原子 分布曲线 1-实际液态铝原子分布 2-理想液态铝原子分布 3-固态铝的原子分布

10、第30页/共58页 固态金属中原子的停留时间长，衍射结果将得到一条条清晰的线，每 条线都有明确的位置(r)和峰值(原子数) 液态金属中除热振动外，尚有激烈的瞬息万变的跳跃，每个原子没有 固定的位置，故衍射结果为一条条带，其峰值位置表示在衍射过程中相邻 原子间最大几率的原子间距。 由图可见，液态金属的原子分布曲线波动于平均密度曲线4r20的上 下，其第一个峰值位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近。第二峰 尚略可见，而在距选定原子不太远的距离(10埃)时它与平均密度线相重 ，即此处的原于排列已无序了。 这些结果说明：液态金属中原子的排列在几个原于间距的范围内，与 其固态的排列方式基本致。但由于

11、原子间距的增大和空穴的增多，原于 的配位数略有变化(如下表)。此外还可以看到原予的热运动大为增强。 第31页/共58页 BACK 金属金属液态液态固态固态 温度温度/原子间距原子间距 /nm 配位数配位数原子间距原子间距 /nm 配位数配位数 Li4000.32410 0.3038 Na100.38380.3728 Al7000.29810110.28612 K700.46480.4508 Zn4600.294110.265、 0.294 6+6 Cd3500.30680.297、 0.330 6+6 Sn2800.320110.302、 0.315 4+2 Au11000.286110.28

12、812 Bi3400.33278 0.309、 0.346 3+3 其配位数虽增大，但密度仍减小。 这些原子的第一、二层近邻原子非常相近，两层原子都算作配位数，但以“+”号表示区别；在液态金属中两层合一。 固态结构较松散，熔化后密度增大。 第32页/共58页 第33页/共58页 第34页/共58页 实际上，上述纯金属是不存在的。实际金属中 ，即使非常纯，也还存在着大量的杂质原子。如含 Fe 99.999999%的纯铁(实际金属很难达到这么高 的纯度)，即杂质含量为10-8，每摩尔体积(7.1cm3) 中总的原子数为6.0231023，则每1cm3铁液中所 含杂质原子数约相当于1015数量级。

13、这些杂质往往不只是一种，而是多种多样的， 它们在液体中不会很均匀地分布。它们的存在方式 也是不同的，有的以溶质方式，有的与其它原子形 成某些化合物(液态、固态或气态的夹杂物)。 第35页/共58页 A多 B少 A少 B多 第36页/共58页 AA B B B B B B B A-A B-B 第37页/共58页 BACK 第38页/共58页 第39页/共58页 . . . . . . o V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 Y X Z dy dVX 1）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; 3）随温度T 而下降。实际金属液的原子间距也非定

14、值，温度升高， 原子热振动加剧，原子间距随之而增大，因此 会随之下降。 4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：合金元素的增加 会使合金液的粘度上升. 第40页/共58页 第41页/共58页 第42页/共58页 F S 即表面自由能为单位面积上的自由能 由于自由能可表达为力与位移的乘积，因此 22 JN mN mmm 这样， 又可理解为物体表面单位长度上作用着的力，即表面张力。广义地说，应称为界面张力 第43页/共58页 气体 液体固体 气体 液体固体 f 3 f 1 f 2 f 1 f 3 f 2 f 1的数值很小，比较f 2和f 3 （）若f 3f 2 ，三力的合力F指向固体且垂直于

15、液面，液面与 固液界面的夹角为锐角。此时界面张力的作用使液体沿固体 表面铺开，固液之间是润湿的 （）若f 3f 2 ，三力的合力F指向液体内部，与F垂直的液面 与固液界面的夹角为钝角。此时界面张力使液面缩为球形， 固液之间为不润湿。 第44页/共58页 从上述分析可知，两种物质接触时，润湿或不润 湿主要取决于其间的亲合力。润湿或不润湿的 表现为下图中的接触角。界面张力达到稳定 态后，图中各界面张力之间的关系为 cos SGLSLG cos SGLS LG 第45页/共58页 1)SG LS 时，cos 为正值，即 90。通常把为锐角的情况称为液体能润湿固体。 0 时，液体在固体表面铺展成薄膜，

16、称为完全润湿。 cos SGLS LG SG SG 2)SG90。此时液体倾向于形成球状，称之为液体不能润湿固体。180 为完全不润湿。 第46页/共58页 0 d d t 0 d d t 第47页/共58页 第48页/共58页 c d RT dc 0 d dc 单位表面积上较内部多（或 少）吸附溶质的量，mol/m2 c溶质浓度 T热力学温度 R气体常数 当 ，即溶质浓度增加，引起表面张力减小 时， 0，为正吸附。 当 ， 即溶质浓度增加，引起表面张力增大 时， 0，为负吸附。 所谓正吸附就是溶质元素在表面上的浓度大于在液体 内部的浓度，负吸附则是溶质元素在表面上的浓度小 于在内部的浓度。因

17、此，表面活性物质具有正吸附作 用；而非表面活性物质具有负吸附作用。 0 d d c 第49页/共58页 p r V 4r2dr S 8rdr 2 p r 第50页/共58页 n对于任意形状的弯曲液面，附加压力可用下式表示： 12 11 ()p rr 式中r1和r2是液体曲面上两个相互垂直弧线的曲率半径 如液面凸起(不润湿)，附加压力为正值，液面下凹(润湿)，附加压力为负值，如图所示。 第51页/共58页 n造型材料一般不被液态金 属润湿，即90(润 湿角)。故液态金属在铸型 细管道内的表面是凸起的， 如图所示，此时产生指向 内部的附加压力： 2cos p r 为了平衡此压力，由液面的高度差造成的静压头为： p 压h g 2cos p r 平衡时有： 2cos h g r 2cos h gr 因此，要克服铸型中由表面张力 引起的附加压力，必须附加一个 静压头，其值h。表面张力越大，所要求的附加压头就越大。管道半径越小，要求的附加压头则越大。 第52页/共58页 表面张力产生的原因： 。 第53页/共58页 1）表面张力与原子间作用力的关系：物体内部原子间结合力u0表面内能 表面自由能表面张力界面张力与润湿角： 两相质点间结合力越大， 界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就