液态金属的结构与性质资料

1、2021-10-281/732021-10-282/732021-10-283/732021-10-284/732021-10-285/732021-10-286/732021-10-287/73相变化过程：相变化过程：液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件下相之间的转变过程。即：相变过程。下相之间的转变过程。即：相变过程。相平衡：相平衡：多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。2021-10-288/73金属的凝

2、固：金属的凝固：凝固：凝固：金属由液态转变为固态的过程。（宏观）金属由液态转变为固态的过程。（宏观）结晶：结晶：从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。体状态的过程。 （微观）（微观）h2o 的压力温度相图2021-10-289/73固态原子在平衡位置振动固态原子在平衡位置振动振动频率加快，振幅增大振动频率加快，振幅增大达到新的平衡位置，晶格常数变化达到新的平衡位置，晶格常数变化超过原子激活能超过原子激活能原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴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离位原子达到某一数值加热加热加热加热加热

3、加热金属由固态转变为液态金属由固态转变为液态体积膨胀体积膨胀约约3% 5% ，电阻、粘度发生变化，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原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸2021-10-2810/73一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化2021-10-2811/732021-10-2812/73 横坐标为观测点至某横坐标为观测点至某一任意选定的原子（参一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以三维空间，它相当于以所选原子

4、为球心的一系所选原子为球心的一系列列球体的半径球体的半径。 纵坐标表示当半径增纵坐标表示当半径增加加 dr 长度时，球壳内原长度时，球壳内原子个数的变化值，其中子个数的变化值，其中 （r）称为）称为密度函数密度函数。1232021-10-2813/73 对于实际液体的原子分布曲线，对于实际液体的原子分布曲线，其其第一峰值第一峰值与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（第一第一条垂线条垂线）极为）极为接近接近，其配位数与固态，其配位数与固态时相当。时相当。 第二峰值虽仍较明显，但与固第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且态时的峰值偏离增大，而且随着随着r的的增大，峰值与固态时的偏离也越来

5、越增大，峰值与固态时的偏离也越来越大大。 当它与所选原子相距较远的距当它与所选原子相距较远的距离时，原子排列进入无序状态。离时，原子排列进入无序状态。 表明：表明：液态金属中的原子在几液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。数稍有变化。1232021-10-2814/732021-10-2815/732021-10-2816/732021-10-2817/731200 1700 1550 1400 不同温度下液态

6、金属结构示意图2021-10-2818/732021-10-2819/732021-10-2820/732021-10-2821/732021-10-2822/73液态合金有各种性质，与材料成形过程液态合金有各种性质，与材料成形过程关系特别密切的主要有两个性质：关系特别密切的主要有两个性质： 一、液态金属（合金）的一、液态金属（合金）的粘度粘度 二、液态金属（合金）的二、液态金属（合金）的表面张力表面张力2021-10-2823/731、粘度的实质及影响因素粘度的实质及影响因素当外力f（x）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。物理意义：当速度梯度为物理意义：当速度梯度

7、为1时时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力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。的比例系数。2021-10-2824/73032e x pbbktutkt富林克尔动力学粘度表达式：2021-10-2825/73可以看出，影响粘度的因素有：可以看出，影响粘度的因素有：a.结合能u. 粘度随结合能粘度随结合能u呈指数关系增加呈指数关系增加。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。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。粘度的本

8、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。粘度随原子间距增大而减小。 c.温度t.总的趋势：总的趋势：随温度随温度t的升高而下降。的升高而下降。d.合金元素和夹杂物合金元素和夹杂物 表面及界面活性元素使液体粘度降低（抑制合金液冷却过程中原子团的表面及界面活性元素使液体粘度降低（抑制合金液冷却过程中原子团的聚集长大），非表面活性杂质的存在使粘度提高。聚集长大），非表面活性杂质的存在使粘度提高。 受两方面（正比的线性关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）共同制约。和负的指数关系）共同制约。液体的粘度与温度的关系）液态镍液体的粘度与温度的关系）液态镍 ；）液态钴；）液态钴虚

9、线：计算值；实线：不同研究者实验结果虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果032expbbk tutk t2021-10-2826/73e.e.化学成分化学成分粘度本质粘度本质原子间的结合力原子间的结合力（与熔点有共性）（与熔点有共性）状态图状态图难熔化合物的粘度较高（熔点难熔化合物的粘度较高（熔点高，结合力强），而熔点低的高，结合力强），而熔点低的共晶成分合金其粘度较低。共晶成分合金其粘度较低。2021-10-2827/73粘度在金属铸造和焊接生产技术中均具有很重要的意义。为了说粘度在金属铸造和焊接生产技术中均具有很重要的意义。为了说明问题，先引入运动学粘度及雷诺数的概念。明问题，先引入运动

10、学粘度及雷诺数的概念。/eeuuddre2021-10-2828/73对液态金属净化的影响 夹杂和气泡上浮的动力12fvg即二者重度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根据stocks原理，半径为原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力以下的球形杂质的阻力fc为：为：6cfrvr为球形杂质半径，v为运动速度杂质匀速运动时，杂质匀速运动时，fcf，故，故126 rvvg3212124()2()3 69r ggrvr 可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比2021-10-2829/73对液态合金流动阻力的影响

11、 设 为流体流动时的阻力系数，则有 当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液体的流动成形，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或狭窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。2021-10-2830/73对凝固过程中液态合金对流的影响 液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即 可见粘度越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。 产生对流

12、的条件：温差和浓度差温差和浓度差浮力浮力粘滞力粘滞力对流强度-格拉晓夫准则数：2021-10-2831/73粘度对成形质量的影响 2021-10-2832/73粘度对成形质量的影响 2021-10-2833/73粘度对成形质量的影响 2021-10-2834/73粘度对成形质量的影响 粘度粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。除，易形成夹杂或气孔。2021-10-2835/732021-10-2836/73液相液相气相气相 原子或分

13、子处原子或分子处于力的平衡状于力的平衡状态态受力不均，指向内部受力不均，指向内部的合力，这种受力不的合力，这种受力不均引起均引起表面原子的势表面原子的势能比内部原子的势能能比内部原子的势能高。高。2021-10-2837/732021-10-2838/73 取一小块表面薄膜（见右图）， 宽度为b，薄膜受到一 绷紧力f，则有f= b 得到：l2021-10-2839/73ewflbls sl在力f作用下，表面液膜拉长 ，则f所作的功为： ( 液膜拉长后增加的面积） 作的这项功成为液膜上的能量 ，有：ews(不考虑摩擦力）即se2/mj于是得到表面张力的另一个意义是：表面张力可以看作是液膜上单位面

14、积的能量，即表面能。2021-10-2840/732021-10-2841/73润湿润湿角是衡量界面张力的标志。角是衡量界面张力的标志。 lglssgcoscoslglssg 表面张力达到平衡时，存表面张力达到平衡时，存在下列关系：在下列关系： 式中，式中，sg为固为固气界面张力；气界面张力； ls为液为液固界面张力；固界面张力； lg为为液液气界面张力气界面张力 90，此时液体不能润湿固体；此时液体不能润湿固体；=180=180称绝对不润湿。润湿角是可以测称绝对不润湿。润湿角是可以测定的。定的。2021-10-2842/73 润湿角通常用座滴法实验来测定，即将液体滴在光滑的固体表面上，达到平

15、衡后，从液滴侧面记录其形态，然后测量润湿角。界面的润湿性a) 完全润湿 b) 润湿 c) 不润湿 d) 完全不润湿2021-10-2843/73影响金属表面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。影响金属表面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。1) 1) 熔点熔点 表面张力的实质是质点间的作用力，故原子间表面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。降结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。降低颗粒半径能够降低金属的熔点。低颗粒半径能够降低金属的熔点。 2021-10-2844/732) 2) 温度温度大多数金属和合金，如大多数金属和合

16、金，如 alal、 mgmg、 znzn等，其等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点使液体质点间的结合力减弱所至间的结合力减弱所至。但对于。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金铸铁、碳钢、铜及其合金则相则相反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。3) 3) 溶质元素溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影响分溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素表面活性元素（削弱（削弱原子间结合力），如钢液和铸铁液中的原子间结

17、合力），如钢液和铸铁液中的s s即为表面活性元素即为表面活性元素，也称，也称正吸附元素正吸附元素。提高表面张力的元素叫。提高表面张力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素负吸附元素。2021-10-2845/73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2021-10-2846/73p、s、si对铸铁熔液表面张力的影响2021-10-2847/732021-10-2848/732021-10-2849/73拉普拉斯方程式：拉普拉斯方程式：当曲面是球面一部分时，当曲面是球面一部分时，r1 = r2，则得到附加压

18、力，则得到附加压力与曲率半径的关系：与曲率半径的关系：表明表明:半径越小，附加压力越大，半径越小，附加压力越大，凸面液体（如液珠），附加压力凸面液体（如液珠），附加压力p为正；为正；凹面液体（如液体中的气泡），附加压力凹面液体（如液体中的气泡），附加压力p为负；为负；平面液体平面液体r = ，附加压力，附加压力p=0。)11(21rrprp22021-10-2850/73附加压力引起的毛细管现象附加压力引起的毛细管现象hgr2cosrrgrhcos2 在一定温度下，毛细管在一定温度下，毛细管的半径愈小，液体对管的半径愈小，液体对管壁的润湿性愈好，液体上壁的润湿性愈好，液体上升越高；升越高；液体不润湿，则液体不润湿，则形成凸液面，液面下降。形成凸液面，液面下降。2021-10-2851/732021-10-2852/722021-10-2853/732021-10-2854/73出气口出气口浇口杯浇口杯螺旋试样螺旋试样2021-10-2855/732021-10-2856/732021-10-2857/722021-10-2858/732021-1