液态金属的结构与性质

1、12.金属的熔化图图1 金属原子金属原子A、B间作用力间作用力F和势能和势能W与原子间距与原子间距R的关系的关系图图2 加热时原子间距和原子势能的变化加热时原子间距和原子势能的变化金属的膨胀及熔化金属的膨胀及熔化温度愈高，原子的温度愈高，原子的能量愈大，产生的能量愈大，产生的空穴数目愈多，金空穴数目愈多，金属膨胀。属膨胀。金属熔化金属熔化 晶内晶内晶界晶界金属熔化金属熔化体积变化：固体积变化：固气：体积无限膨胀；气：体积无限膨胀； 固固液：体积液：体积3 35 5， 原子间距原子间距1 11.51.5；熔化潜热：仅为升华热的熔化潜热：仅为升华热的37；表1-1金属熔化时典型的体积变化金属熔化时

2、典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）为熔化时的体积增量）( Hb /表表1-2 几种晶体几种晶体物质的熔化潜热（物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热）和气化潜热(Hb)金属熔化金属熔化因此，金属的熔化并不是原子因此，金属的熔化并不是原子间结合的全部破坏，液体金属间结合的全部破坏，液体金属内原子的分布仍具有一定的规内原子的分布仍具有一定的规律性，其结构类似于固态。而律性，其结构类似于固态。而不是类似气体，只是原子的热不是类似气体，只是原子的热运动加剧。运动加剧。1.纯金属的液态结构纯金属的液态结构700时液态Al中原子分布图1.纯金属的液态结构纯金属的液态结构原子间保持较强的结合能，原

3、子的排列在较小的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。距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。原子集团的原子集团的“近程有序近程有序”排列；即小范围保持规排列；即小范围保持规律性。律性。( (固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到很大破坏很大破坏) )原子集团时刻在变化；原子集团时刻在变化；原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴空穴”；（；（解释：大部分金属熔化时电阻率增

4、解释：大部分金属熔化时电阻率增加加？）？） 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。“结构起伏结构起伏”“能量起伏能量起伏”杂质原子杂质原子量大量大种类多种类多分布不均分布不均存在方式不同存在方式不同2.实际金属的液态结构实际金属的液态结构原子间结合力不同，产生的起伏原子间结合力不同，产生的起伏能量起伏能量起伏浓度起伏浓度起伏结构起伏结构起伏1200 1700 1550 1400 A-BA-B结合力较强：结合力较强：临时不稳定化合物如：临时不稳定化合物如：S S在在FeFe液液中，高温时完全溶解，低温时析出中，高温时完全溶解，低温时析出FeSFeS；A-BA-B

5、非常强：非常强：形成新的固相；如形成新的固相；如O O在在AlAl中形成中形成AlAl2 2O O3 3; ;假如假如B-BB-B结合力结合力A-AA-A及及A-BA-B：吸附甚至分层；吸附甚至分层；以仅含一种杂质元素为例:2.实际金属的液态结构实际金属的液态结构1)合金多；合金多；2)原材料中存在多种杂质；原材料中存在多种杂质；3)工艺上造成；工艺上造成；实际金属在微观上是由成分和结构不同的游实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，是一种态的化合物组成，是一种“浑浊浑浊”液体。液体。2.实际金属的液态结

6、构实际金属的液态结构3. 液态金属结构理论液态金属结构理论7.液态金属的粘度液态金属的粘度粘滞性：对金属的流动特性、充型、金属中气体和夹杂的上浮、补缩有明显影响。粘度:液体在层流运动的情况下，各液层间有摩擦阻力，称为液体的内摩擦，妨碍液体的流动。此种内摩擦阻力是液态金属的物理特性之一，称为粘度。金属的流动性就是粘度的倒数。粘度是由液态金属的结构决定的，而结构又与温度、压力、杂质含量有关。牛顿流体:动力黏度物理意义:当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力;=F/(Sdv/dx)粘度系数粘度系数(20 0kTeTeQ/kTQ/kT )/ )/3 3粘滞性的本质是质点粘滞性的本质是质点(原

7、子原子)间结合力的大小间结合力的大小l运动粘度：运动粘度：l运动粘度物理意义：运动粘度物理意义：V=V=/ /表征液体质点保持自身运动表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。方向的惯性大小。7.液态金属的粘度液态金属的粘度影响粘度的因素：影响粘度的因素：温度T小，指数项比乘数项的影响大，小，指数项比乘数项的影响大，T ,T高，乘数项将起主要作用，高，乘数项将起主要作用，T ,实际液态金属过热度不高时，系数的变化是次要，实际液态金属过热度不高时，系数的变化是次要，故可认为液态金属的粘度因温度升高而降低。故可认为液态金属的粘度因温度升高而降低。7.液态金属的粘度液态金属的粘度化学成分粘度本质粘度本

8、质 原子间的结合力（与熔点有共性）原子间的结合力（与熔点有共性） 状态图状态图难熔化合物的粘度较高，而熔点难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度较低；低的共晶成分合金其粘度较低；影响粘度的因素：影响粘度的因素：7.液态金属的粘度液态金属的粘度影响粘度的因素：影响粘度的因素：7.液态金属的粘度液态金属的粘度7.液态金属的粘度液态金属的粘度影响粘度的因素：影响粘度的因素：随碳含量增加，溶液的粘度下随碳含量增加，溶液的粘度下降且在亚共晶成分前熔点也随降且在亚共晶成分前熔点也随之下降。当温度一定时，随碳之下降。当温度一定时，随碳含量增加，过热度增加，粘度含量增加，过热度增加，粘度下降。下降

9、。7.液态金属的粘度液态金属的粘度黏度在材料成形中的作用和意义黏度在材料成形中的作用和意义:黏度对液态金属充型速度的影响流体的流动状态由雷诺数Re来决定，当Re2320时，流体以紊流方式流动。粘度对流动阻力的影响实际应用：实际应用：一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降，才出现层流。才出现层流。紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型。7.液态金属的粘度液态金属的粘度黏度在材料成形中的作用和意义黏度在材料成形中的作用和意义:粘度在材料成形中的作用和意义粘度在材料成

10、形中的作用和意义:对液态金属对流的影响产生对流的条件：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：格拉晓夫数rL LrL C动力黏度越动力黏度越大，则对流大，则对流强度越小强度越小7.液态金属的粘度液态金属的粘度液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有重要影响。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有重要影响。、分别为由温差和浓度差引起的金属液体积膨胀L水平方向上热端到冷端距离的一半宽度。黏度在材料成形中的作用和意义黏度在材料成形中的作用和意义:对液态金属净化的影响斯托克斯公式：g(液液- -杂杂) )r r/ /99仅当仅当杂杂液液，夹杂才，夹杂才能上浮，能

11、上浮，越大，夹杂越大，夹杂及气泡越难以排除及气泡越难以排除7.液态金属的黏度液态金属的黏度表面张力的本质概念：表面，表面张力，表面自由能，界面W= = F F表面张力表面张力8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力的本质8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力引起的附加压力附加压力：图8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力引起的附加压力附加压力：通用计算公式通用计算公式（课后作业课后作业）方向：方向：PP1211Prr2Pr8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力r1和和r2是液体曲面上两个相互垂直弧线的曲率半径是液体曲面上两个相互垂直弧线的曲率半径影响表面张力的因素

12、B.温度：， , 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A.化学键的影响：金属键离子键范德华力8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：影响表面张力的因素C.溶质元素：单位表面积上吸附量的单位表面积上吸附量的 吉布斯公式：吉布斯公式：单位表面积上较内部多单位表面积上较内部多（或少）吸附的溶质的量（或少）吸附的溶质的量C dRT dC 0,0,0,b=+cos-cos =, ,cos 0,2,c=+cos(180- )-cos =, ,cos 0,一般的并不等于。（ ）则液体表面为（ ）的形状，其力的平衡关系如下

13、：因为所以为锐角。（ ）则液体表面为（ ）的形状，其力的平衡关系如下：因为所以为钝角。润湿角：cos(SGSG- -LSLS)/)/LGLG能润湿；能润湿；完全润湿；完全润湿；不能润湿；不能润湿；完全不润湿。完全不润湿。8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力引起毛细现象毛细现象：毛细现象：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；图2/rghgh 2 2coscos/ /grgr1 1在一定温度下，毛细管的半径愈小，液在一定温度下，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；体对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；液液体不润湿，则形成凸液面，液面下降体不润湿

14、，则形成凸液面，液面下降8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力意义表面张力对黏砂和充填最小值的影响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/ghgh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上浮条件：上浮条件：LSLSLGLGSGSG不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；cos=(SGSG- -LGLG)/)/LGLG气泡气泡黏附黏附8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力表面张力意义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溶剂精炼法：MLSLMS愈大，对溶剂夹杂越有利愈小，溶剂越易与熔体分离

15、；溶剂与熔体分离：选择熔剂尽量使其与合金的界面张力尽量大，而本身的界面张力尽量小。选择熔剂尽量使其与合金的界面张力尽量大，而本身的界面张力尽量小。8.液态金属的表面张力液态金属的表面张力作业一：作业一：1.试推导试推导2.画出毛细管现象图（凸液面）；画出毛细管现象图（凸液面）；3.液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和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？附加压力有何区别？ 1211Prr 液态金属一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的情况，在充型过程中，当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停止。如果停止流动出现在型腔被充满前，则会出现“浇不

16、足”。金属的流动性：液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量、及其物理性质有关。 金属的流动性对补缩、防裂有很大影响。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的充填而弥合。液态金属停止流动机理液态金属停止流动机理在充型过程中，当已形成的固相阻塞充型通道时，液态金属的流动就会停止，其机理取决于结晶区间； Al 和和Al-Sn5% 合金流动状况比较合金流动状况比较图图1-25 纯金属、共晶成分合金及结晶温度纯金属、共晶成分合金及结晶温度 图图1-26 宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止 很窄的合金停

17、止流动机理示意图很窄的合金停止流动机理示意图 流动机理示意图流动机理示意图前端析出前端析出1520的固相量的固相量时，流动就停止。时，流动就停止。 充型能力强充型能力强(1)合金的成分(1)合金的成分(1)合金的成分(1)合金的成分结晶潜热（约为液态金属热量的结晶潜热（约为液态金属热量的8590%）：对于纯）：对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金，散潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金，散失一部分（失一部分

18、（20%）潜热后，晶粒就连成网格而阻止）潜热后，晶粒就连成网格而阻止流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，对流动性流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，对流动性影响不大。影响不大。(2)结晶潜热(3)(3)金属的比热、密度和导热系数金属的比热、密度和导热系数合金液的比热、密度越大，导热系数越小合金液的比热、密度越大，导热系数越小, 充型能力越好；一充型能力越好；一般金属中加入合金元素，都会使导热系数下降。特例：有些元般金属中加入合金元素，都会使导热系数下降。特例：有些元素会形成初生的树枝晶或扩大结晶温度范围。这些会使充型能素会形成初生的树枝晶或扩大结晶温度范围。这些会使充型能力下降。力下降。(4)

19、金属液的粘度金属液的粘度在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。(5)表面张力为提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：2222cb半固态的概念：半固态的概念：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。树枝晶 圆形或半圆形的初晶 表观粘度减低枝晶断裂，晶体 变圆，变小1. 半固态的流变性牛顿流体的流动曲线。 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。 非牛顿流体流动的特征是：它不服从牛顿粘度定