第二章 液态金属的结构与性质

1、金陵科技学院教案【封面】任课系部：材料工程学院 材料系 课程名称金属材料成型原理课程编号0802407007授课对象专业材料科学与工程课程类别必修课公共基础课；学科基础课；专业核心课选修课专业方向课；专业拓展课；公选课总学时数48学分数3学时分配课堂讲授 32学时； 实践课16学时教材名称材料成形基本原理作者刘全坤出版社及出版时间机械工业出版社指定参考书作者出版社及出版时间材料成形原理陈平昌机械工业出版社，2001材料成型原理陈玉喜中国铁道出版社，2002授课教师杨晓莉职称副教授单位材料工程学院金陵科技学院教案【教学单元首页】第 1次课 授课学时 2 教案完成时间： 章、节第二章 主要内容第二

2、章 液态金属的结构与性质 第一节 液态金属的结构 第二节 液态金属的性质 第三节 液态金属的充型能力 第四节 半固态合金的流变性及半固态成形目的与要求了解本课程的性质、目的及要求，对材料测试与研究方法有一个全面、系统的认识，熟悉材料现代分析的一般原理和主要方法，对各种材料分析方法的基本原理和基本应用有概略行的认识。重点与难点重点：表面张力计算。难点：液态金属的理解。教学方法与手段PPT多媒体教学结合板书授课内容内 容备 注2.1 液态金属的结构 2.1.1纯金属的液态结构 原子间保持较强的结合能，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”排列；即小范

3、围保持规律性。 原子集团时刻在变化； 原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”； 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。其特点是“结构起伏”与“能量起伏”。 “结构起伏”液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 。 “浓度起伏” 同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。 2.1.2实际金属的液态结构杂质原子分布不均种类多量大原子间结合力不同，产生的起伏能量起伏结构起伏浓度起伏以仅含一种杂质元素为例: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

4、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。2.2 液态金属的性质 2.2.1 基本概念 物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等； 物理化学性质：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、膨胀和压缩系数及其它。 1.熔点和熔化潜热：确定熔炼和浇铸温度 2.沸点和蒸发热：熔点和沸点无直接关系，利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损量，蒸发热远高于熔化热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。 3.比容热：比热容小，结晶时铸件断面温差大，容易出现集中缩孔。 4.导热性：导热性好，冷却速度快，

5、金属断面温度梯度小，热应力小。 5.热膨胀和体积收缩率：绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后体积变小，密度增大。2.2.2 液态金属的表面张力 表面张力的本质 表面张力W= F 薄膜宽度为b，收一个绷紧力F，则 F=b 为表面张力系数，或表面张力（N/m）物理意义：薄膜单位长度上所受的绷紧力。由于力F的作用，薄膜被拉长l ，则F对薄膜所做的功W为W=Fl =bl=S做功使得薄膜能量增加E，因此E=W=S则=E/S故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。 表面张力引起的附加压力加压力： 2/r通用计算公式：/(r1+r2) 影响表面张力的因素化学键的影响：金属键>离子键>范德

6、华力温度：升高，表面张力下降。特殊现象（铜和铸铁）。T增大，液体质点距离增加，彼此作用力下降，表面张力减小。溶质元素：正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：2.3液态金属的充型能力 2.3.1液态金属充型能力的基本概念 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性又叫做充型能力。液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷 。 液态金属充填铸型是一个复杂的物理、化学和流

7、体力学问题，涉及到金属液的各种性质，如密度、黏度、表面张力、氧化性、氧化物的性质及润湿性等。充型能力的大小影响铸件的成型，充型能力较差的合金难以获得大型、薄壁、结构复杂的健全铸件。 2.3.2影响充型能力的因素 影响充型的因素是通过两个途径发生作用的:一是影响金属与铸型之间的热交换条件，从而改变金属液的流动时间；二是影响液态金属在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。影响液态金属充型的因素很多，可以归纳为四类:  第一类因素，属于金属性质方面的，主要有金属的密度、比热、导热系数、结晶潜热、动力黏度、表面张力及结晶特点等。 不同的合金，其流动性有很大差异，对同种合金而言，

8、化学成分不同，其流动性也不同。当熔化至液相线以上相同温度时，纯金 属、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于结晶温度间 隔最大处的合金其充型能力最小。  第二类因素 属于铸型性质方面的主要有铸型的蓄热系数、密度、比热、导热系数、温度、涂料层 和发气性、透气性等。铸型的阻力影响金属液的充填速度，铸型 与液态金属的热交换强度影响其流动时间。因此，通过调整铸型 的热物理性质来改善金属的充型能力往往能收到良好的效果。比 如，预热铸型能减少金属液与铸型的温度差，减少两者的热交换， 从而提高其充型能力 

9、。 2.4 半固态合金的流变性及半固态成形 2.4.1 半固态的概念 半固态：金属在凝固过程中，通过强烈的搅拌或控制凝固技术，抑制树枝晶的产生或者破坏树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮半固态浆料，这种浆料即便固相颗粒达到5060%仍具有较好的流动性。 2.4.2 半固态的优点 2.4.3 半固化的加工方法 2.4.4 半固态能够流动的原因 原因是流变性发生变化 凡流体以切变方式流动，但其切应力与剪切速率之间为非线性关系者均称为非牛顿流体。  非牛顿流体流动的特征是：它不服从牛顿粘度定律，其粘度不是一个常数，随着切应力、切变速率的变化而变化。非牛顿流体的类型

10、有宾汉流体、假塑性流体和胀塑性流体等。 几种流动曲线的比较       (1)宾汉流体：这个类型的流体也称作宾汉塑性体，如牙膏、油料、地质钻探用的泥浆等。其流动曲线如图中的D曲线。它与牛顿流体的流动曲线（图中A曲线）特征相同， 均为直线型，只是它不通过原点，其含义是只有切应力超过一定值、（屈服应力）之后才开始流动。这是因为超过y，才能破坏静止时形成的高度空间结构而实现流动。       (2)假塑性体:图中的曲线B为假塑性体流动的特征曲线，该流体的流动曲线弯向切变速率坐标轴一侧，表征着其粘度随切应力、切变速率的增大而逐渐降低的特性，因此而被称为切应力变稀的流体。大多数热塑性塑料、橡胶和高分子聚合物溶液等都属于此类流体。       (3)胀塑流体:图中的曲线C为胀塑性流体流动的特征曲线，该曲线弯向切应力