成型液体金属的结构和性质

成型液体金属的结构和性质第一页，共二十二页，编辑于2023年，星期六§1-1材料的固液转变固态金属:按原子聚集形态分为晶体,非晶体和准晶。晶体:凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。单晶体:晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体:大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为1013次/s。第二页，共二十二页，编辑于2023年，星期六液态金属液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。

固体可以是非晶体、准晶体，也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶。§1-1材料的固液转变第三页，共二十二页，编辑于2023年，星期六升温过程体积变化§1-1材料的固液转变晶格常数固态至液态过程：固态升温，晶格常数变大继续加热，达到激活能值原子数进一步增加，原子离开点阵——形成空位局部势垒减少，临近原子进入——空穴位移晶界处原子处于激活状态，原子向临近晶粒跳跃，原有晶粒形状尺寸改变——相对流动——熔化进一步加热，温度不升高，原子跳跃频繁，晶粒瓦解——原子集团、游离原子、空穴——液态原子位置激活能第四页，共二十二页，编辑于2023年，星期六§2-2液态金属的结构与分析金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。这也间接说明液态金属的结构应接近固体金属而远离气态金属。原子之间仍然具有很高的结合能。结构（相）起伏、温度（能量）起伏、成分（浓度）起伏。——原子集团、空位等的大小、形态、分布及热运动时刻处于变化状态。第五页，共二十二页，编辑于2023年，星期六X射线衍射分析横坐标为观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径。纵坐标表示当半径增减一个单位长度时，球体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密度函数。700℃时液态Al中原子分布曲线第六页，共二十二页，编辑于2023年，星期六对于固态金属而言，原子在某一平衡位置热振动，因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值。但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。§2-2液态金属的结构与分析第七页，共二十二页，编辑于2023年，星期六其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其配位数与固态时相当。第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。当它与所选原子相距太远的距离时，原子排列进入无序状态。表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。第八页，共二十二页，编辑于2023年，星期六液态金属的结构特征１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。２）特征：“近程有序”、“远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。原子团是时聚时散，存在结构起伏。同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起伏。液态金属结构示意图第九页，共二十二页，编辑于2023年，星期六金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；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。§2-2液态金属的结构与分析第十页，共二十二页，编辑于2023年，星期六§1-3液态金属的性质V0YF或Pa.s1、粘度（一）粘度的实质及影响因素当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。第十一页，共二十二页，编辑于2023年，星期六§1-3液态金属的性质富林克尔在关于液体结构的理论中作了粘度数学处理：粘度本质：原子间结合力影响因素：：化学成分、温度、夹杂物第十二页，共二十二页，编辑于2023年，星期六（二）粘度在材料成形过程中的意义1)对液态金属净化的影响液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的上浮速度：2)对液态合金流动阻力的影响根据流体力学，雷诺数Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为层流。Re的数学式为第十三页，共二十二页，编辑于2023年，星期六当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液体的流动成形，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。第十四页，共二十二页，编辑于2023年，星期六3)对凝固过程中液态合金对流的影响液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即可见粘度η越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。第十五页，共二十二页，编辑于2023年，星期六2、表面张力——液体的物性参数（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量。第十六页，共二十二页，编辑于2023年，星期六>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowetting润湿现象第十七页，共二十二页，编辑于2023年，星期六（二）影响界面张力的因素影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。

1．熔点界面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。第十八页，共二十二页，编辑于2023年，星期六

2．温度大多数金属和合金，如Al、Mg、Zn等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。

3．溶质元素溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，如钢液和铸铁液中的S即为表面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。第十九页，共二十二页，编辑于2023年，星期六金属液的表面张力可以改变铝液中加入第二元素镁液中加入第二元素第二十页，共二十二页，编辑于2023