材料成形基本原理第1章-液态金属结构与性质课件

1、第一章 液态金属的结构与性质第一节 引言第二节 液态金属的微观结构 第三节 液态金属的性质第四节 液态金属的充型能力第一节 引言一、液体的分类二、液体的表观特征三、液体的结构、性质与材料成形的关系一、 液体的分类 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）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）二、 液体的表观特征具有流动性 （液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状 （类似于气体，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间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）；具有自由表面 （类似于固

2、体，不同于气体）；液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。液 体 性 质物理性质：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。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 凝固过程的形核及晶体生长的热力学熔体的结构信息 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、粘度等性质 成分偏析、固-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 铸造合金及焊接熔池的精炼第二节 液态金属的微观结构一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征二

3、、 由物质熔化过程认识液体结构三、液态金属结构的理论模型 一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征 晶体： 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，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动。 气体： 完全无序为特征分子不停地作无规律运动 液体： 长 程 无 序 不具备平移、对称性； 近 程 有 序 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性。液态金属的衍射结构参数 偶分布函数 g(r) 与 平均原子间距 r1 径向分布函数 与 配位数 N1 偶分布函数 g(r) 物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒

4、子的几率。 换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r = 0）距离为 r 位置的原子数密度 (r) 对于平均数密度o（=N/V）的相对偏差。 (r) = o g (r)图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征平均原子间距 r1： 对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。 r = r1 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。 径向分布函数 RDF RDF = 4r 2o g(r) 表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。 配位数N1：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数。 配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积 N1 与 r

5、1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。二、由物质熔化过程认识液体结构两个原子间：相互作用力F，相互作用势能W与原子间距离R的关系如图所示。图a中虚线为引力与斥力，它们的综合作用即为两原子间的相互作用力F（合力）。 两个原子的相互作用势能W(R)的曲线如图b所示 双原子模型 双原子模型 当两原子靠近时，原子间产生吸引力(合力 F0)，并随距离的继续缩短而迅速增大。特定T，R=R0 ，W=W0T升高，能量从W0升高到W1、W2、W3、W4 ，其间距（振幅中心位置）将由R0增大到R1、R2、R3、R4 。原子热振动：沿势能曲线势能与动能间发生转换。原子间距离将随温度的升高而增加，即产生热膨胀，但并

6、不改变原子相对排列（熔点以下）。 双原子模型 势能曲线极不对称:向右是水平渐近线，向左是垂直渐近线 每个原子在三维方向都有相邻原子，频繁相互碰撞而交换能量。每时每刻都有一些原子能量超过(或低于)原子平均能量 (“能量起伏” ) 高能原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在新的位置上作微小振动。一旦有机会获得大的能量，又可以跑到新的位置上。(内蒸发) 原子离开点阵则留下了自由点阵空穴(物体膨胀的另一原因 )T越高，空穴越多T至熔点时，空穴骤然增多。F-R曲线上，R超过R1，原子间的引力急剧减小，从而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入熔化状态。 二、由物质熔化过程

7、认识液体结构 物质熔化时体积变化熵变(及焓变)一般均不大（见表1-1），金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）为3%左右，表明液体的原子间距接近于固体，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。 金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为1/151/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。三、 液态金属结构的理论模型（一） 无规密堆硬球模型 （二） 液态金属结构的晶体缺陷模型（三）综合模型（四）液体结构及粒子间相互作用的理论描述（五）实际液态金属的微观特点一方面，液态金属中处于热运动，不同原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化

8、，时高时低。这种现象称为“能量起伏”。另一方面，液态金属是由大量不停“游动”着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。这些原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变，这种现象称为“结构起伏”。 在特定的温度下，虽然“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。 （

9、四） 实际液态金属的微观特点对于“理想液体”,存在： “能量起伏” 及“结构起伏” 对于实际液体, 还存在浓度起伏“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 。 对于“纯金属” ：总存在大量杂质原子。如：8N纯铁（分析纯只能达5N），则每1cm3铁液中杂质原子数约相当于1015数量级。 对于合金，F(A-A、B-B)F(A -B)： 则A-A、B-B原子聚集； F(A -B)F(A-A、B-B)：液体中形成新的化学键 A-B原子聚集第三节 液态金属的性质一、液态金属的粘度二、液态金属的表

10、面张力一、液态金属的粘度（一） 液态金属的粘度及其影响因素（二） 粘度在材料成形中的意义（一）液态金属的粘度及其影响因素1. 液体粘度的定义2. 粘度的影响因素1. 液体粘度的定义 粘度系数-简称粘度(动力学粘度)，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的： 平行于X方向作用于液体表面 （X-Z面） 的外加剪切应力， VX液体在X方向的运动速度， dVX/dy表示沿Y方向的速度梯度。外力作用于液体表面各原子层速度 表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力成正比。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。粘度的物理意义可视为：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

11、的比例系数。 液体粘度量纲为M / LT，常用单位为 PaS 或 MPaS。2. 粘度的影响因素粘度表达式： K b Bolzmann常数； U 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10-13秒） 液体各原子层之间的间距粘度随原子间结合能U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，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；粘度的影响因素：粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；与温度T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，总的趋势随温度T而下降（见

12、图）；合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响： M-H（Moelwyn-Hughes）模型： 1纯溶剂的粘度；2溶质的粘度；X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数，R为气体常数，Hm 为两组元的混合热。若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（Hm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。表面活性元素（如向Al-Si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。（二）

13、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 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 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数之后，金和水两者近于一致。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） 。动力学粘度 在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关。对流动阻力有影响的因素除了粘度外，还有流态。 当雷诺数Re2300 时为紊流，Re2300 时为层流圆形管道的雷诺数：f 为液体流动的阻力系数： 0.2显然，流动阻力愈大，在管道中输送

14、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。粘度对成形质量的影响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：熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。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中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向 由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。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

15、过程中，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响，金属液和熔渣的粘度低有利于扩散并脱去杂质元素。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，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出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比（流体力学的斯托克斯公式）

16、。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。对焊缝的合金过渡影响 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要是在金属液与熔渣的界面上进行的。 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-熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。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（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义（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自由能与表面张力的关系表面与界面影响表面张力的因素1、表面张力及其

17、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小相等的张力。 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。2、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。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。通常表面张力的单位为力/距离（如N/m、dyn/cm），表面能的单位为能量/面积（如J/m2、er

18、g/cm2等）。3、表面与界面 表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体（或固体）与气体之间的交界面，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。4、影响表面张力的因素1）表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力u0表面内能 表面张力2）表面张力与原子体积（3）成反比，与价电子数Z成正比3）表面张力随温度升高而下降4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响 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。 （二） 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

19、出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用 界面张力与润湿角 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（液膜理论） 1、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（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。 例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，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很小。 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。 熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。 表面为平面时（曲率半

20、径为无穷大），表面张力不产生压力差。当表面具有一定的曲度时，液相中的压力高于气相（p1p2），该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。2、表面张力引起的曲面两侧压力差 对任意曲面： 对球形曲面（如液滴）（r1=r2）： 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），气泡内部压力小于外部压力：p1p2对柱面（r2 )： 在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。 设液膜为圆柱体的部分凹面，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

21、力与之相平衡，其大小为： 当 r = T/2 时，fmax =p达临界值，如果继续将液膜拉开，则曲率半径 r 将再度变大，而应力p 将变小。在这种情况下，凝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的拉断临界应力fmax大小为： 对于=1g/cm的金属来说，如果液膜厚度为10-6mm时，要将液膜两侧的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，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力fmax 越大，裂纹越难形成。第一种情况：凝固的早期，或者靠

22、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，液体补充进去多少，因此不会产生热裂。第二种情况：液膜已经与液体区隔绝，但是由于低熔点物质的大量存在（如钢中的硫共晶），形成大的液膜厚度和低的表面张力，将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，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，则往往要产生热裂。第三种情况：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质较少，其表面张力较高，熔点也相应较高而凝固速度较快，液膜迅速变薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到大的 f max 的抗力，这种抗力将使高温固体内部产生蠕变变形，从而避免了热裂的产生。RDF= 4