合肥工业大学 考研 材料成型基本原理课件

1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作 2普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节 引言引言第二节第二节 液态金属的微观结构液态金属的微观结构 第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质第四节第四节 液态金属的充型能力液态金属的充型能力合肥工业大学材料科学与工程学院制作 3普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节 引言引言一、一、液体的分类液体的分类二、二、液体的表观特征液体的表观特征三、三、液体的结构、性质与材料成形的关系液体的结构、性质与材料成形的

2、关系合肥工业大学材料科学与工程学院制作 4普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、 液体的分类液体的分类 按液体的构成类型，可分为：按液体的构成类型，可分为：原子液体（如液态金属、液化惰性气体）原子液体（如液态金属、液化惰性气体）分子液体（如极性与非极性分子液体），分子液体（如极性与非极性分子液体），离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）合肥工业大学材料科学与工程学院制作 5普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、 液体的表观特征液体的表观特征具有流动性具有流动性 （液体最显著的性质）（液

3、体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状 （类似于气（类似于气体，不同于固体）；体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）；（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面具有自由表面 （类似于固体，不同于气体）；（类似于固体，不同于气体）；液体可压缩性很低液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。（类似于固体，不同于气体）。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 6普通高等教育“十一五”国家级

4、规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理液液 体体 性性 质质物理性质物理性质：密度、：密度、粘度粘度、电导率、热导率和扩散、电导率、热导率和扩散系数等；系数等；物理化学性质物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、化潜热、表面张力表面张力等；等；热力学性质热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 7普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、液体的结构和性质与材料成形的关系三、液体的结构和性质与材料成形的关系液体的界面张力、潜热等性质液体的界面张力、潜热等性质

5、 凝固过程的形核及晶体生长的热力学凝固过程的形核及晶体生长的热力学熔体的结构信息熔体的结构信息 凝固的微观机制凝固的微观机制 液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质粘度等性质 成分偏析、固成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式液界面类型及晶体生长方式 热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度 铸造合金及焊接熔池的精炼铸造合金及焊接熔池的精炼合肥工业大学材料科学与工程学院制作 8普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二节第二节 液态金属的微观结构

6、液态金属的微观结构一、一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征二、二、 由物质熔化过程认识液体结构由物质熔化过程认识液体结构三、三、 液态金属结构的理论模型液态金属结构的理论模型 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 9普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征 晶体：晶体： 平移、对称性特征（长程有序）平移、对称性特征（长程有序）原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动

7、。同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动。 气体：气体： 完全无序为特征完全无序为特征分子不停地作无规律运动分子不停地作无规律运动合肥工业大学材料科学与工程学院制作 10普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 液体：液体： 长长 程程 无无 序序 不具备平移、对称性；不具备平移、对称性； 近近 程程 有有 序序 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡游荡”着的局域有序的原子集团着的局域有序的原子集团，液体结构表，液体结构表现出局域范围的有序性。现出局域范围的有序性。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 11普通高等

8、教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理液态金属的衍射结构参数液态金属的衍射结构参数 偶分布函数偶分布函数 g(r) 与与 平均原子间距平均原子间距 r1 径向分布函数径向分布函数 与与 配位数配位数 N1合肥工业大学材料科学与工程学院制作 12普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 偶分布函数偶分布函数 g(r) 物理意义：物理意义：距某一参考粒子距某一参考粒子 r 处找到另一个粒子的处找到另一个粒子的几率几率. 换言之，表示离开参考原子换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点（处于坐标原点r = 0）距离距离为为 r 位置的原子数密度位置的原

9、子数密度 (r) 对于平均数密度对于平均数密度o（N/V）的相的相对偏差。对偏差。 (r) = o g (r)图图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征合肥工业大学材料科学与工程学院制作 13普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理平均原子间距平均原子间距 r1： 对液体（或非晶固体），对应于对液体（或非晶固体），对应于 g(r) 第一第一峰的位置。峰的位置。 r = r1 表示参考原子至其周围第一配位层表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。各原子的平均原子间距。合肥工业大学材料科学与工程学

10、院制作 14普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 径向分布函数径向分布函数 RDF RDF = 4r 2o g(r) 表示在表示在 r 和和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。之间的球壳中原子数的多少。 配位数配位数 N1 ：参考原子最近邻（第一壳层）的原子数。：参考原子最近邻（第一壳层）的原子数。 配位数配位数 N1 的求法：的求法：RDF第一峰之下的积分面积第一峰之下的积分面积drrrgNmrr21)(400 N1 与与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。一起，被认为是液体最重要的结构参数。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 15普通高等教育“

11、十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、由物质熔化过程认识液体结构二、由物质熔化过程认识液体结构 物质熔化时体积变化物质熔化时体积变化熵变熵变(及焓变及焓变)一般均不大一般均不大（见表（见表1-1），），金属熔化时典型的体积变化金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积为熔化时的体积增量）为增量）为3%左右，表明左右，表明液体的原子间距接近于固体液体的原子间距接近于固体，在熔，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 金属熔化潜热金属熔化潜热Hm比其气化潜热比其气化潜热Hb小得多小得多（表（表1-2）

12、，），为为1/151/30，表明，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 16普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、 液态金属结构的理论模型液态金属结构的理论模型（一）（一） 无规密堆硬球模型无规密堆硬球模型 （二）（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型液态金属结构的晶体缺陷模型（三）（三） 液体结构及粒子间相互作用的理论描述液体结构及粒子间相互作用的理论描述（四）（四） 实际液态金属的微观特点实际液态金属的微观特点合肥工业大学材料科学与工程学院制作 17普通高等教育“十一五”国家级规划教材

13、材料成形基本原理材料成形基本原理 液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。微晶模型微晶模型： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接。阵，这些微晶体之间以界面相连接。空穴模型空穴模型： 金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有量的空位，从而使液态金属

14、的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。位错模型位错模型： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。变成液体。合肥工业大学材料科

15、学与工程学院制作 18普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（四）（四） 实际液态金属的微观特点实际液态金属的微观特点“能量起伏能量起伏” “结构起伏结构起伏”液体中大量不停液体中大量不停“游动游动”着着的局域有序原子团簇的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏时聚时散、此起彼伏 “浓度起伏浓度起伏” 同种元素及不同元素之间的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，把别的原子排挤到别处，表现易聚集在一起，把别的原子排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异为游动原子团簇之间存在着成分差

16、异 。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 19普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质一、液态金属的粘度一、液态金属的粘度二、液态金属的表面张力二、液态金属的表面张力合肥工业大学材料科学与工程学院制作 20普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、液态金属的粘度一、液态金属的粘度（一）（一） 液态金属的粘度及其影响因素液态金属的粘度及其影响因素（二）（二） 粘度在材料成形中的意义粘度在材料成形中的意义合肥工业大学材料科学与工程学院制作 21普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料

17、成形基本原理（一）液态金属的粘度及其影响因素（一）液态金属的粘度及其影响因素1. 1. 液体粘度的定义液体粘度的定义2. 2. 粘度的影响因素粘度的影响因素合肥工业大学材料科学与工程学院制作 22普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1. 1. 液体粘度的定义液体粘度的定义 粘度系数粘度系数-简称粘度简称粘度(动力学粘度动力学粘度)，是，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的：根据牛顿提出的数学关系式来定义的： 平行于平行于X方向作用于液体表面方向作用于液体表面 （X-Z面）面） 的外加剪切应力，的外加剪切应力， VX液体在液体在X方向的运动速度，方向的运动速度， d

18、VX/dy表示沿表示沿Y方向的速度梯度。方向的速度梯度。.oV5V4V3V2V1YXZ外力作用于液体表面各原子层速度外力作用于液体表面各原子层速度 dydVX表述为：液体流动的速度梯度表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力与剪切应力成正比。成正比。通常条件下，所有的液态金属符合牛顿通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。定律，被称为牛顿液体。粘度的物理意义可视为：作用于液体表粘度的物理意义可视为：作用于液体表面的应力面的应力大小与垂直于该平面方向上大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。的速度梯度的比例系数。 液体粘度量纲为液体粘度量纲为M / LT，常用单位，

19、常用单位为为 PaS 或或 MPaS。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 23普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2. 2. 粘度的影响因素粘度的影响因素粘度表达式：粘度表达式： K b Bolzmann常数；常数； U 为无外力作用时原子之间的结合能为无外力作用时原子之间的结合能0 为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13秒）秒） 液体各原子层之间的间距液体各原子层之间的间距粘度粘度随原子间结合能随原子间结合能U按指数关系增加，这可按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩以理解为，液体

20、的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；擦阻力越大，粘度也就越高；粘度的影响因素：粘度的影响因素：粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实际增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距金属液的原子间距也非定值，温度升高，原子也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；随之下降；与温度与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度温度T而下降（见而下降（见图图1-9）；）；TkUkTBexp203合肥工业大学材料科学

21、与工程学院制作 24普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响： M-H（Moelwyn-Hughes）模型：）模型： 1纯溶剂的粘度；纯溶剂的粘度；2溶质的粘度；溶质的粘度；X1、X2 分分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数，分数，R为气体常为气体常数，数，Hm 为两组元的混合热。为两组元的混合热。RTHXXm21)(2211p若混合热若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（液的粘度上升（Hm为负值表明反应

22、为放热反应，为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）粘度随之提高）若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。金液中存在异类原子间较强的化学结合键。表面活性元素（如向表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素合金中添加的变质元素Na）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。合肥工

23、业大学材料科学与工程学院制作 25普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）（二） 粘度在材料成形中的意义粘度在材料成形中的意义 影响成形过程的粘度包括动力学粘度影响成形过程的粘度包括动力学粘度 与动力学粘度与动力学粘度 。运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度运动学粘度 适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度系外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度系数数之后，之后，金和金和水两者近于一致。例

24、如铸件浇注系统的设计计算时，水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理来考虑）完全可以按水力学原理来考虑） 。动力学粘度动力学粘度 在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关。有关。/合肥工业大学材料科学与工程学院制作 26普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理对流动阻力有影响的因素除了粘度外，还有流态。对流动阻力有影响的因素除了粘度外，还有流态。 当雷诺数当雷诺数Re2300 时为紊流，时为紊流，Re2300 时为

25、层流时为层流圆形管道的雷诺数：圆形管道的雷诺数：f 为液体流动的阻力系数：为液体流动的阻力系数： 0.2一般情况下，层流时的流动阻力比紊流时大。流动阻力愈大，在管道中输一般情况下，层流时的流动阻力比紊流时大。流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就愈大，或者说所需压力差也就愈大。送相同体积的液体所消耗的能量就愈大，或者说所需压力差也就愈大。DvDReDf32Re32层2 .02 .02 .0)(092.0Re092.0Df紊合肥工业大学材料科学与工程学院制作 27普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理粘度对成形质量的影响粘度对成形质量的影响影响铸件轮

26、廓的清晰程度影响铸件轮廓的清晰程度；影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧；影响精炼效果及夹杂或气孔的形成影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 28普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响 在薄壁铸件的铸造过程在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层诺数值

27、小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。入表面活性物质等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 29普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向 由于凝固收缩形成压由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。响到铸件的质量。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 30普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料

28、成形基本原理材料成形基本原理影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧 在铸造合金熔炼及焊接过程中，在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在金属液与熔这些冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行的。金属液中的杂质元渣的界面进行的。金属液中的杂质元素及熔渣中反应物要不断地向界面扩素及熔渣中反应物要不断地向界面扩散，同时界面上的反应产物也需离开散，同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。界面向熔渣内扩散。反应速度受到反应物及生成物在金属液和熔渣中扩散速度的影反应速度受到反应物及生成物在金属液和熔渣中扩散速度的影响，金属液和熔渣的响，金属液和熔渣的粘度粘度低

29、有利于扩散并脱去杂质元素低有利于扩散并脱去杂质元素。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 31普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理影响精炼效果及夹杂或气孔的形成影响精炼效果及夹杂或气孔的形成 金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固前排除

30、出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏完全凝固前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而金属的连续性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比粘度成反比（流体力学的斯托克斯公式）。（流体力学的斯托克斯公式）。粘度粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及较大时，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除，易形成夹杂或气孔。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。2)(92rgBm合肥工业大学材料科学与工程学院制作 32普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理

31、对焊缝的合金过渡影响对焊缝的合金过渡影响 在焊缝金属的合金化方法中，在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素的焊剂、药皮通过含有合金元素的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。这类方法的合金过渡主的方法。这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上进要是在金属液与熔渣的界面上进行的。行的。 熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣散到熔渣-熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 33普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基

32、本原理材料成形基本原理二、液态金属的表面张力二、液态金属的表面张力（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义合肥工业大学材料科学与工程学院制作 34普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）表面张力的实质及影响因素（一）表面张力的实质及影响因素表面张力及其产生的原因表面张力及其产生的原因表面自由能与表面张力的关系表面自由能与表面张力的关系表面与界面表面与界面影响表面张力的因素影响表面张力的因素合肥工业大学材料科学与工程学院制作 35普通高等教育“

33、十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、表面张力及其产生的原因、表面张力及其产生的原因 表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。小相等的张力。 表面张力是由于物体在表表面张力是由于物体在表面上的质点受内部的作用力较面上的质点受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起小，这种受力不均引起表面原表面原子的势能比内部原子的势能高。子的势能比内部原子的势能高。因此，因此，物体倾向于减小其表面物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。积而产生表面张力。合肥工业大学材料科学与工程学院制

34、作 36普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、表面自由能与表面张力的关系、表面自由能与表面张力的关系 表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面积表面时的自由能增量。积表面时的自由能增量。 表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。大小完全相同，单位也可以互换。通常表面张力的单位为力通常表面张力的单位为力/距离（如距离（如N/m、dyn/cm），），表面

35、能的单位为能量表面能的单位为能量/面积（如面积（如J/m2、erg/cm2等）等）。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 37普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、表面与界面、表面与界面 表面与界面的差别在于后者泛指表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的两相之间的交界面交界面，而前者特指，而前者特指液体（或固体）与气体之间液体（或固体）与气体之间的交界面的交界面，但更严格说，应该是指液体（或固体），但更严格说，应该是指液体（或固体）与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面与

36、气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。能和表面张力。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 38普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4、影响表面张力的因素、影响表面张力的因素1 1）表面张力与原子间作用力的关系）表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力原子间结合力u0表面内能表面内能 表面张力表面张力2 2）表面张力与原子体积）表面张力与原子体积（3）成反比，与）成反比，与价电子数价电子数Z Z成正比成正比3 3）表面张力）表面张力随温度升高而下降随温度升高而下降4 4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影

37、响 向系统中加入削弱原子间结合力的组元会使表面张力降低。向系统中加入削弱原子间结合力的组元会使表面张力降低。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 39普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）（二） 表面张力在材料成形生产技术中的意义表面张力在材料成形生产技术中的意义 表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用小体积系统会显示很大的作用 界面张力与润湿角界面张力与润湿角 表面张力引起的曲面两侧压力差表面张力引起的曲面两侧压力差 液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响液膜拉断临界力及表面

38、张力对凝固热裂的影响（液膜理论）（液膜理论） 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 40普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、界面张力与润湿角、界面张力与润湿角 接触的两相质点间结合力越大，界面张力接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。润湿角越小，称之为润湿性好。 例如：水银与玻璃间及金属液与例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，的界面张力很大，几乎不润湿。相

39、反，同一金属（或合金）液固之间，由于同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。很小。 液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。形核率越高。 熔渣与液态金属之间的润熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。护效果与焊缝外观成形。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 41普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 表面为平面时（曲率半径表面为平面时（曲率半径为无穷大），表面张力不产为无穷大），表面张力不产生

40、压力差。当表面具有一定生压力差。当表面具有一定的曲度时，液相中的压力高的曲度时，液相中的压力高于气相（于气相（p1p2），该压力差），该压力差值的大小与曲率半径成反比，值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的曲率半径越小，表面张力的作用越显著。作用越显著。2、表面张力引起的曲面两侧压力差、表面张力引起的曲面两侧压力差 rp对任意曲面：对任意曲面： 2111rrp对球形曲面（如液滴）（对球形曲面（如液滴）（r1=r2）：）： rp2液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：p1p2液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小

41、于外部压力：液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压力：p1p2对柱面（对柱面（r2 )：合肥工业大学材料科学与工程学院制作 42普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 在凝固的后期，不同晶粒之在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧紧作用，液膜将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。其吸附力量就越大。c )b )a )HHT cT brcrbT aSSSSSSLLLrp/ 设液膜为圆柱体的部分凹面，设液膜为圆柱体的部分凹面，由于表面张

42、力的作用，始终存在由于表面张力的作用，始终存在着一个与外力方向相反的应力与着一个与外力方向相反的应力与之相平衡，其大小为：之相平衡，其大小为： 当当 r = T/2 时，时，fmax =p达临界达临界值，如果继续将液膜拉开，则值，如果继续将液膜拉开，则曲率半径曲率半径 r 将再度变大，而应力将再度变大，而应力p 将变小。在这种情况下，凝将变小。在这种情况下，凝固收缩引起的拉应力将大于由固收缩引起的拉应力将大于由表面张力所产生的应力，使液表面张力所产生的应力，使液膜两侧固体急剧分离。膜两侧固体急剧分离。3液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响合肥工业大学

43、材料科学与工程学院制作 43普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理液膜的拉断临界应力液膜的拉断临界应力fmax大小为：大小为： 对于对于=1g/cm的金属来说，如果液膜厚度为的金属来说，如果液膜厚度为10-6mm时，要将液膜两侧的时，要将液膜两侧的晶粒拉开所需应力为晶粒拉开所需应力为2103 N/mm2！液膜拉断时若无外界液体补充，！液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，液膜的表面张力越液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax 越大越大

44、，裂纹越难形成。，裂纹越难形成。第一种情况第一种情况：凝固的早期凝固的早期，或者靠近液体的两相区内，液膜与大量未，或者靠近液体的两相区内，液膜与大量未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体补充补充进去进去多少，因此多少，因此不会产生热裂不会产生热裂。Trpf22T/max合肥工业大学材料科学与工程学院制作 44普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二种情况第二种情况：液膜已经与液体区：液膜已经与液体区隔绝隔绝，但是由于，但是由于低熔点物质低熔点物质的大量的大量存在（如钢中的硫共晶），形成存在（如钢

45、中的硫共晶），形成大的液膜厚度大的液膜厚度和和低的表面张力低的表面张力，将，将使液膜的最大断裂应力使液膜的最大断裂应力 fmax 减小，且熔点低而凝固速度较慢，这样，减小，且熔点低而凝固速度较慢，这样，厚的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速度，厚的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速度，则往往要则往往要产生热裂产生热裂。第三种情况第三种情况：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质较低熔点杂质较少少，其，其表面张力较高表面张力较高，熔点也相应较高熔点也相应较高而而凝固速度较快凝固速度较快，液膜迅速，液膜迅速变薄，此时如果

46、液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到变薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到大的大的 f max 的抗力，这种抗力将使的抗力，这种抗力将使高温固体内部高温固体内部产生产生蠕变变形蠕变变形，从而，从而避免了热避免了热裂的产生裂的产生。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 45普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四节第四节 液态金属的充型能力液态金属的充型能力一、一、 液态金属充型能力的基本概念液态金属充型能力的基本概念二、二、 影响充型能力的因素影响充型能力的因素合肥工业大学材料科学与工程学院制作 46普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理

47、材料成形基本原理液态金属充型能力液态金属充型能力 液态金属充满铸型型腔，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，是设计浇注填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据之一；系统的重要依据之一； 充型能力弱，则可能产充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。夹砂等缺陷。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 47普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 液态金属的充型能力取决于：液态金属的充型能力取

48、决于：内因内因 金属本身的流动性金属本身的流动性外因外因 铸型性质、浇注条件、铸件结构等铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，因素的影响，是各种因素的综合反映。是各种因素的综合反映。 表表1-4 不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚金属种类金属种类铸铸 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 属属 型型熔模铸造熔模铸造壳壳 型型压压 铸铸灰灰 铸铸 铁铁3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-铸铸 钢钢4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-铝铝 合合 金金3 33-43-4-0.6

49、-0.80.6-0.8合肥工业大学材料科学与工程学院制作 48普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金的螺旋形流动性实验合金的螺旋形流动性实验在相同的条件下浇注各在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合得的合金流动性表示合金的充型能力。金的充型能力。合肥工业大学材料科学与工程学院制作 49普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图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

50、宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止 很窄的合金停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液态金属停止流动机理与充型能力液态金属停止流动机理与充型能力合肥工业大学材料科学与工程学院制作 50普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理影响充型能力的因素影响充型能力的因素1. 1. 金属性质方面的因素金属性质方面的因素（流动性的高低）（流动性的高低）2. 2. 铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素3. 3. 浇注条件方面的因素浇注条件方面的因素合

51、肥工业大学材料科学与工程学院制作 51普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1. 金属性质方面的因素金属性质方面的因素纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；结晶潜热（约为液态金属热量的结晶潜热（约为液

52、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潜热潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性影响不大。对流动性影响不大。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, 充型能力充型能力越好；越好；合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。流动性影响较大。例：例：Fe-CFe-C合金流动性与成分的关系合金流动性与成分的关系合肥工业大学材料科学与工程学院制作 52普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、铸型