液态金属的结构与性质ppt课件

1、观组织特征。观组织特征。 液相成型液相成型R，F 0R R0 ，F0引力 靠拢R R0 ，F0斥力 分开R R0 ，F0 平衡图图1-1热运动热运动2.金属的加热膨胀金属的加热膨胀图1-2、1-3升温升温热振动加剧，热振动加剧，E转化为势能达新的平衡转化为势能达新的平衡R1、R2、R3 R0平衡间隔添加膨胀平衡间隔添加膨胀能量起伏能量起伏升温升温起伏加剧起伏加剧部分原子越过势垒部分原子越过势垒构成空穴构成空穴空穴挪动、增多空穴挪动、增多膨胀膨胀原子间距增大和空穴的产生原子间距增大和空穴的产生熔点附近熔点附近晶界粘性流动晶界粘性流动接近熔点接近熔点继续吸热继续吸热熔化潜热熔化潜热晶粒瓦解，构成此

2、起晶粒瓦解，构成此起彼伏的原子集团，游彼伏的原子集团，游离原子和空穴离原子和空穴约约3% 5%3% 5%3.金属的熔化金属的熔化从晶界开场从晶界开场晶粒相对滑动晶粒相对滑动晶粒失去原有外形晶粒失去原有外形晶粒瓦解，体积忽然膨胀晶粒瓦解，体积忽然膨胀温度不变，内能添加温度不变，内能添加。1.1.液体与固体、气体构造比较及衍射特征液体与固体、气体构造比较及衍射特征径向分布函数表示在径向分布函数表示在r+dr之间的球壳中原子之间的球壳中原子数的多少数的多少 )(42rr理想液体的原子平理想液体的原子平均密度分布曲线。均密度分布曲线。固态铝中原子分布的规律，固态铝中原子分布的规律，原子位置固定，在平衡

3、位原子位置固定，在平衡位置做热运动，故球壳上原置做热运动，故球壳上原子数显示出是某一固定的子数显示出是某一固定的数值，呈现一条条的直线数值，呈现一条条的直线X射线衍射分析射线衍射分析l l液态金属是由游动的原子团构成。液态金属是由游动的原子团构成。2 2能量起伏。能量起伏。3 3构造起伏。构造起伏。4 4浓度起伏或成分起伏。浓度起伏或成分起伏。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。体晶态的转变称为二次结晶。 金属由液态转变为固态的凝团过程，本质金属由液态转变为固

4、态的凝团过程，本质上就是原子由近程有序形状过渡为长程有上就是原子由近程有序形状过渡为长程有序形状的过程，从这个意义上了解，金属序形状的过程，从这个意义上了解，金属从一种原子陈列形状晶态或非晶态过从一种原子陈列形状晶态或非晶态过渡为另一种原子规那么陈列形状晶态渡为另一种原子规那么陈列形状晶态的转变均属于结晶过程。的转变均属于结晶过程。实践金属的液态构造实践金属的液态构造dydvx当相距当相距1cm的两个的两个平 行 液 层 间 产 生平 行 液 层 间 产 生1cm/s的相对速度的相对速度时，在界面时，在界面1cm2面面积上产生的摩擦力积上产生的摩擦力单位：单位：Pas。液态金属是有粘性的流体。

5、液态金属是有粘性的流体。流体在层流流动形状下，流体中的一切液层按平行方向运动。流体在层流流动形状下，流体中的一切液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。运动时，会产生摩擦阻力。粘度系数或粘度，表达式：粘度系数或粘度，表达式：1液态合金的粘度及其影响要素液态合金的粘度及其影响要素粘度的物理意义：粘度的物理意义：作用于液体外表的应力大小与垂直于作用于液体外表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该平面方向上的速度梯度的比例系数富林克尔表达式：富林克尔表达式：)TkUexp(Tk2B03B0：原子

6、在平衡位置的振动周期对液态金属约为1013 skB：Bolzmann常数U：无外力时原子之间的结合能或原子分散势垒：相邻原子平衡位置的平均间隔T：热力学温度可以看出，影响粘度的要素有：a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系添加。液体的原子之间结合力越大，那么内摩擦阻力越大，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。 c.温度T.由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而20KT /3项那么与温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增高而急剧变化，因此使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数项eU/K

7、T趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线添加正比。显然，这种情况已是接近气态了。总的趋势：随温度总的趋势：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外表活性元素使液体粘度降低，非外表活性元素使粘度提高运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流动。如浇铸系统的计算动力粘度除以密度运动粘度:动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如夹杂的上浮和凝固补缩对液态金属净化的影响即除去夹杂和气泡对液态金属净化的影响即除去夹杂和气泡 夹杂和气泡上浮的动力BmgP即二者分量之差在最初很短的时间内以加速度进展运动，往后便开场匀速运动在最初很短的时间内以加速度进展运动，往后便开场匀速运动根

8、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Pc为：为：r6Pcr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，PcP，故，故Bmgr69)(gr2r63)(gr4Bm2Bm3可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比 对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响层流？紊流？雷诺数！层流？紊流？雷诺数！ReD v/(2300层流，层流，2300紊流紊流)所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动普通所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动普通为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中，为紊流，但在充型的后

9、期或狭窄的补缩流和细壁铸件中，那么呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。那么呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。D32Re32f层2 . 02 . 02 . 0vD092. 0Re092. 0f紊f为流体流动时的阻力系数为流体流动时的阻力系数 A A、外表张力的本质及影响要素、外表张力的本质及影响要素产生张力的外表层厚度不超越产生张力的外表层厚度不超越10-7cm10-7cm，相当于几个原子，相当于几个原子( (分子分子) )液层厚度。液层厚度。产生缘由？产生缘由？原子或分子处于原子或分子处于力的平衡形状力的平衡形状受力不均，指向受力不均，指向内部的合力内部的合力这种受力

10、不均引起这种受力不均引起外表原子的势能比外表原子的势能比内部原子的势能高，内部原子的势能高，所以物体倾向于减所以物体倾向于减小外表积小外表积dA dAlFdx)(llFdxFWlFdAW 进一步可得进一步可得外表能：产生新外表能：产生新的单位面积外表的单位面积外表时系统自在能的时系统自在能的增量增量那么外力所做的功为：那么外力所做的功为： 由此可见，外表张力由此可见，外表张力 是外表是外表S S内垂直内垂直F F方向的单位方向的单位长度上的拉紧力；长度上的拉紧力；也是添加单位外表积也是添加单位外表积dAdA外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，称之为外表能。称之为外表能。dAdFdAW 界面张力

11、和界面能界面张力和界面能界面张力和界面自在能与外表张力和外表自在能类似。界面张力和界面自在能与外表张力和外表自在能类似。界面与外表的差别：界面与外表的差别：界面泛指两相之间的交界面界面泛指两相之间的交界面 外表专指液体或固体与气体之间的界面，确外表专指液体或固体与气体之间的界面，确 切的说，是指液体或固体在真空下的外表。切的说，是指液体或固体在真空下的外表。 引起外表张力与界面张力的缘由本质引起外表张力与界面张力的缘由本质 ？ 由由和和两相构成两相构成- -界面过程如下图。界面过程如下图。为此，外力所需作的正功分别为为此，外力所需作的正功分别为W W- -和和W W- -。假设用。假设用表示相

12、的外表能，表示相的外表能，表示表示相的外表能，相的外表能，那么有：那么有：W W- -=2=2，W W- -=2=2 WWWWs2 然后，把然后，把 和和 结合成两个具有结合成两个具有 - - 界面整体，界面整体，这时所需作的负功为这时所需作的负功为 -2W -2W- -。因此，为构成因此，为构成2 2个个 - - 界面所作的净功界面所作的净功 Ws Ws 为：为： WWWWs22W 构成一个构成一个- -界面所作的净功界面所作的净功WsWs，在数值上等于，在数值上等于- -界面的界面能界面的界面能- -，即：，即： 由于由于W W- -=2=2，W W- -=2=2，代入上式，那么：，代入上

13、式，那么：cosLGLSSG当固相外表有液相和气相时，发生界面景象如图当固相外表有液相和气相时，发生界面景象如图 (a)所示。所示。润湿角润湿角：衡量界面张力的标志：衡量界面张力的标志平衡时程度分量的平衡关系为：平衡时程度分量的平衡关系为：当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见 (b)所示。所示。LGLSSGcos2 2SGLSSG9090，液体倾向，液体倾向于构成球状，称为液体不能润湿固体。于构成球状，称为液体不能润湿固体。=180=180为完全不为完全不润湿。所以润湿。所以角又称为润湿角。角又称为润湿角。1 1SGLSSGLS时，时，cos

14、cos为正值，即为正值，即9090称为液体称为液体能润湿固体。能润湿固体。=0=0时，液体在固体外表铺展成薄膜，时，液体在固体外表铺展成薄膜，称为完全润湿。称为完全润湿。公式得公式得: :即杨氏方程式，接触角即杨氏方程式，接触角的值与各界面张力的相对值的值与各界面张力的相对值有关。有关。影响液态金属界面张力的要素主要有熔点、温度和溶质元素影响液态金属界面张力的要素主要有熔点、温度和溶质元素熔点熔点温度温度原子间的结合力大的物质，其熔点、沸点高，原子间的结合力大的物质，其熔点、沸点高，那么外表张力往往就大。那么外表张力往往就大。常用的几种金属的外表张力与熔点的关系如表所示常用的几种金属的外表张力

15、与熔点的关系如表所示界面张力的本质是界面张力的本质是质点间的作用力质点间的作用力外表张力与温度的定量关系表达式：外表张力与温度的定量关系表达式：)TTc(Vk32V：摩尔体积，T热力学温度，Tc为液气临界点温度，k为温度系数可知：外表张力随温度升高而下降溶质元素溶质元素影响液态金属界面张力的要素主要有熔点、温度和溶质元素影响液态金属界面张力的要素主要有熔点、温度和溶质元素溶质元素对液态金属外表张力的影响分二大类溶质元素对液态金属外表张力的影响分二大类使外表张力降低的活质元素叫外表活性元素，使外表张力降低的活质元素叫外表活性元素，“活性之义为外表浓度大于内部浓度，也称活性之义为外表浓度大于内部浓

16、度，也称正吸附元素正吸附元素提高外表张力的元素叫非外表活性元素，其外表提高外表张力的元素叫非外表活性元素，其外表的含量少于内部含量，称负吸附元素。的含量少于内部含量，称负吸附元素。溶质元素溶质元素弗伦克尔提出了金属外表张力的双层电子实际。以为是正弗伦克尔提出了金属外表张力的双层电子实际。以为是正负电于构成的双电层产生负电于构成的双电层产生个势垒，正负离子之间的作用个势垒，正负离子之间的作用力构成了对外表的压力，有减少外表面积的倾向力构成了对外表的压力，有减少外表面积的倾向外表张力数学表达式为外表张力数学表达式为32)Ze(4阐明：外表张力阐明：外表张力与原子体积与原子体积3成反比，与价电子数成反比，与价电子数Z及及电荷的平方成正比，即金属原子体积愈大，外表张力愈电荷的平方成正比，即金属原子体积愈大，外表张力愈小。小。 影响界面张力的要素影响界面张力的要素 有些溶