液态金属的性质

液态金属的性质第1页，课件共71页，创作于2023年2月第1节引言液体结构特征：远程无序，进程有序液体的性质物理性质：密度、粘度、电导率、扩散系数物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数人们对液体结构和性质的认识第2页，课件共71页，创作于2023年2月第2节液态金属的结构一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征气体、液体、非晶及晶态固体结构特点及衍射特征第3页，课件共71页，创作于2023年2月ChartDocuments第4页，课件共71页，创作于2023年2月二、由物质熔化过程认识液态金属结构1、晶体中的原子结合第5页，课件共71页，创作于2023年2月对应于能量的极小值，状态稳定。原子之间倾向于保持一定的间距，这就是金属原子具有一定的排列的原因。

对应能量曲线的拐点。第6页，课件共71页，创作于2023年2月2、金属的加热膨胀热振动：晶体中原子并不是固定不动的，只要温度高于热力学零度，每个原子皆在平衡位置附近振动膨胀的原因：（1）原子间的斥力和引力随距离变化快慢不同，势能曲线不对称，振动中心位置变远，原子间距增大（2）“空穴”的产生

第7页，课件共71页，创作于2023年2月第8页，课件共71页，创作于2023年2月3、金属的熔化从晶界开始熔点附近晶界粘滞性流动晶界上可能原子脱离原晶粒表面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形态接近熔点体积膨胀3~5%，金属其它性质发生突变，金属开始熔化熔点第9页，课件共71页，创作于2023年2月第10页，课件共71页，创作于2023年2月4、物质熔化时体积变化、熵变一般不大。第11页，课件共71页，创作于2023年2月5、金属熔化潜热及其气化潜热小的多第12页，课件共71页，创作于2023年2月

由以上分析可见，金属在熔化后，以及熔点以上不高的温度范围内，液体状态的结构有以下特点：1）原子间仍保持较强的结合能，较小范围内规则排列2）呈“近程有序，远程无序”3）由于能量起伏作用，处于不停游动和瞬息万变之中4）原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”5）原子集团的平均尺寸、游动速度都与温度有关，温度越高原子集团的尺寸越小，游动速度加快综上，接近熔点的理想液态金属是由和原晶体相似的“显微镜体”和“空穴”组成。第13页，课件共71页，创作于2023年2月三、实际金属的液态结构实际金属合金的液体结构存在三种起伏：能量起伏：表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸不同

结构起伏：表现为原子团的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生改变浓度起伏：表现为各个原子集团之间的成份不同以金属中存在第二种原子为例说明：

A、B两种原子

A-B原子结合力较强—形成稳定化合物

A-B原子结合力非常强—形成稳定相同类原子（B-B）结合力＜（A-A及其A+B）时，A-A原子易聚在一起，把B原子排挤在集团外围或液体界面上第14页，课件共71页，创作于2023年2月实际金属比是很复杂的，主要体现在：1）工业用金属多是合金，而且是多合金2）原材料中存在多种多样的杂质3）在熔化过程中金属与炉气，熔剂、炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液体质点第15页，课件共71页，创作于2023年2月实际金属的液体结构：

1）存在着游离原子集团、空穴以及能量起伏

2）在原子集团和空穴中溶有各种各样的合金元素及杂质元素

3）由于化学键力和原子间结合力的不同，存在浓度起伏以至成份和结构不同的游动原子集团

4）有些化学亲和力较强的元素的原子之间还可能形成不稳定的化合物实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、液态化合物组成；从化学键上看，除基体金属与其合金元素组成的金属键外，还存在其它化学键第16页，课件共71页，创作于2023年2月1200℃时液态金属原子的状态1500℃时液态金属原子的状态第17页，课件共71页，创作于2023年2月四、液态金属结构的理论模型（一）无规密堆硬球模型无规密堆硬球模型描述了液体远程无序而近程有序特征，为奠定液体结构的统计几何基础做出了重要贡献。a)四面体b)八面体c)四方十二面体d)三角棱柱多面体e)阿基米德反棱柱多面体第18页，课件共71页，创作于2023年2月（二）液态金属结构的晶体缺陷模型1、微晶模型在微晶体中，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。该模型能够解释液态金属的近程有序性，因而能较好的描述近液相线液态金属的微观结构。2、空穴模型金属熔化形成大量空穴，使液态金属微观结构失去长程有序性，大量空穴存在使液态金属发生切变，从而具有流动性。第19页，课件共71页，创作于2023年2月3、位错模型在特定的温度以上，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现而变成液体。高位错密度的引入能很好的解释液态金属不具有长程有序性，具有流动性，粘滞系数、原子扩散系数，晶体生长等方面现象。4、综合模型“能量起伏”和“结构起伏”。第20页，课件共71页，创作于2023年2月五、对液态金属结构的再认识及研究进展（自学）

（三）液体结构及粒子间相互作用的理论描述第21页，课件共71页，创作于2023年2月本节习题1．液体与固体及气体比较各有哪些异同点？2．如何认识液态金属结构的“长程有序”和“进程有序”？3．如何理解实际液态金属结构和三种起伏？4．纯金属和实际金属在结构上有何异同？试分析铸铁的液态结构？5.通过哪些现象和实验说明金属熔化并不是原子间的结合力全部被破坏？第22页，课件共71页，创作于2023年2月第3节液态合金属的性质一、液态合金的粘度

（一）液态合金的粘度及其影响因素液体粘度的牛顿定律：

—平行于x方向作用于液体表面的外加应力

—液体在x方向的运动速度

—沿y方向的速度梯度

—动力粘度

第23页，课件共71页，创作于2023年2月粘度的物理意义：作用于液体表面的应力大小与垂直该平面方向的速度梯度的比例系数。通常粘度可用下式表示：第24页，课件共71页，创作于2023年2月粘滞性在流体力学中的两个概念：动力粘度运动粘度两者关系为：第25页，课件共71页，创作于2023年2月粘度的影响因素：（1）温度由粘度公式可知：

T不太高时，T↑，↓

T很高时，T↑，↑第26页，课件共71页，创作于2023年2月（2）化学成分难熔化合物粘度较高，熔点低的共晶成分合金粘度低。（3）非金属夹杂物使粘度增加第27页，课件共71页，创作于2023年2月第28页，课件共71页，创作于2023年2月（二）粘度在材料成形中的意义1、对液态金属流动的影响

雷诺数ReRe﹥2300紊流

Re﹤2300层流以管道为例，当直径为D，流动速度为u时，雷诺数Re的表达式为：第29页，课件共71页，创作于2023年2月2、对液态金属对流的影响液态金属在铸型中冷却和凝固过程中，由于各处温度不同造成膨胀的差异，以及液体各处成分不均匀（浓度差）原因引起的密度不同而产生浮力，是重力场中产生对流的驱动力。当浮力大于液体的粘滞力时，则产生对流，温差和浓度差造成的对流，其强度可用无量纲的格拉索夫准则度量。

—重力加速度

—温差、浓度差

—由温度、浓度引起的体膨胀系数

—运动粘度第30页，课件共71页，创作于2023年2月３、对收缩时补缩的影响

在铸件凝固过程中，由于体积收缩而形成缩孔，此时依靠液体静压头进行补缩，补缩距离的长度与合金动力粘度成反比。第31页，课件共71页，创作于2023年2月４、对液态金属净化的影响杂质上浮速度：第32页，课件共71页，创作于2023年2月二、液态合金的表面张力

（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素表面张力（σ或ｒ）：表面上平行于表面切线方向大小相等的张力表面自由能（σ或ｒ）

：产生新的单位面积表面时系统自由能的增量表面张力：单位长度上作用的力表面自由能：单位面积上的自由能第33页，课件共71页，创作于2023年2月界面张力：所有界面上存在的表面张力表面、界面的差别：界面泛指两相间界面；表面指液体（固体）与气体之间的交界面１）界面张力与两相质点结合力的关系当两个相组成一个界面时，其界面张力与两相质点间的结合力成反比。下图为形成两个界面过程示意图：第34页，课件共71页，创作于2023年2月Ａ分裂两半球体做功ＷＡＡＢ分裂两半球体做功ＷＢＢ产生两个界面的总功A-B结合、两个球体分开做功2WABW总=ＷＡＡ+ＷＢＢA-B两个单位结合到一起做功-2WAB-2WAB产生1cm2的AB界面所做功：该功即为1cm2的AB界面的界面能：第35页，课件共71页，创作于2023年2月2）界面张力的润湿角第36页，课件共71页，创作于2023年2月各界面上诸力对质点A的作用简图第37页，课件共71页，创作于2023年2月a)由图（b)可知σSG＞σLSCOSθ＞0

θ＜90°液体能润湿固体，液面下凹b)由图（c)可知σSG＜σLSCOSθ＜0

θ＞90°液体不能润湿固体，液面突出

c)θ=180°绝对不润湿

θ=0°绝对润湿第38页，课件共71页，创作于2023年2月3)影响表面张力的因素

a）熔点原子结合力大的物质，其熔点高，表面张力也大。几种液态金属在熔点时的表面张力金属NaMgAlTiVFeCuZn熔点/℃986506601668190015371083420表面张力1915599141650195018721360780(10-3N/m)第39页，课件共71页，创作于2023年2月b）温度对于多数金属和合金，温度升高，表面张力降低。主要因为温度升高，液体质点间距增大，表面质点的受力不对称性减弱，因而表面张力降低对于某些合金其表面张力随温度升高而增大。如铸钢，碳钢，铜及其合金等c)溶质不同的溶质元素对金属表面张力有不同影响，使表面张力降低的的溶质元素，称为该金属的表面活性物质；使表面张力增加的溶质元素称为该金属的非活性物质。第40页，课件共71页，创作于2023年2月Gibbs公式Γ—单位面积上较内部多(或减少）吸附的溶质的量moL/m2C—溶质浓度T—热力学温度R—气体常数

﹤0溶质浓度降低，引起表面张力减小时，Γ﹥0正吸附﹥0溶质浓度增加，引起表面张力增大时，Γ﹤0负吸附第41页，课件共71页，创作于2023年2月正吸附：溶质元素在表面上的浓度大于液体内部的浓度负吸附：溶质元素在表面上的浓度小于液体内部的浓度表面活性物质具有正吸附作用；表面非活性物质具有负吸附作用。溶质原子体积大于熔剂原子体积，较大的原子总是倾向于被排挤到表面，在表面富集—正吸附，表面张力减小原子体积很小，在金属中容易进入到溶剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属的表面，成为富集在表面的活性物质，这些原子金属性弱，自由电子少，表面张力小，使金属表面张力降低。第42页，课件共71页，创作于2023年2月（二）表面张力在材料成形中的意义1、表面张力引起的曲面两侧压力差及其相关作用圆柱面上由表面张力产生的压力差公式：任意表面产生的压力差公式：对于圆柱形（r2=∞）（式中r=r1）对球形（r1=r2）（式中r=r1=r2

）第43页，课件共71页，创作于2023年2月附加力的意义：如铸造过程中金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂，与表面张力σ引起的△p有关。通常金属液与砂型不润湿，有利于防止金属液侵入砂型毛细管而形成粘砂。但毛细管直径D及金属液静压头H越大，越容易粘砂。第44页，课件共71页，创作于2023年2月2、液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响

在凝固后期不同晶粒之间存在液膜，由于表面张力的作用液膜将其两侧的晶体紧紧吸附在一起，液膜厚度越小其吸附力量就越大。在a→d的过程中始终存在着一个与外力方向相反的应力与之相平衡，其大小为

r↓△P↑r达到r*=T/2达到极限应力

第45页，课件共71页，创作于2023年2月

当液膜拉断时，若无外界液体补充，那么晶粒间便形成了凝固热裂纹，可见液膜表面张力越大，液膜越薄，则液膜拉断的拉断临界应力fmax越大，裂纹越难形成。实际生产中热裂纹形成三种情况：一、液膜与大量未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体晶体拉开多少，都不会产生热裂；二、液膜已经与液体区隔绝，但由于低熔点物质大量存在，加之表面张力较低，且熔点低凝固速度较慢，这样厚的液膜将会长时间保持下去，在此期间如果大的拉伸速度，往往产生热裂；三、液膜虽与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质少，表面张力高，熔点也相对较高，凝固速度快，液膜迅速变薄，此时，如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，遇到大的fmax的拉力，该拉力使固体内部产生蠕变变形，从而避免热裂的形成。第46页，课件共71页，创作于2023年2月本节习题1．液态合金粘度的意义及影响因素？2．表面张力与界面张力有何异同点？3．液态金属的表面张力有哪些影响因素？第47页，课件共71页，创作于2023年2月第4节液态金属的充型能力一、液态金属充型能力的基本概念

（1）液态金属充型能力：充型过程中液态金属充满铸型型腔获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力金属本身的流动性，外界条件的限制都影响液态金属充型能力。（2）流动性：液态金属本身的流动能力影响因素：金属成分、温度、杂质含量及物理性质其意义：金属流动性好气体、杂质易上浮使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件；良好的流动性使铸件在凝固期间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弥合。第48页，课件共71页，创作于2023年2月（3）流动性与充型能力的关系流动性好则充型能力强；反之，则充型能力差。流动性是确定条件下的充型能力；合金一定，流动性一定，但可以通过改变外部条件提高充型能力。（4）充型能力的判定实际生产中以试样的长度或以试样某处的厚薄程度来确定。液态金属流动试样的类型：螺旋形、球形、V形、楔形、竖琴形、真空试样。第49页，课件共71页，创作于2023年2月第50页，课件共71页，创作于2023年2月第51页，课件共71页，创作于2023年2月二、液态金属停止流动的机理与充型能力

（一）液态金属停止流动机理第52页，课件共71页，创作于2023年2月1、纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金流动机理第53页，课件共71页，创作于2023年2月

a）过热的量未散尽前为纯液态流动，为Ⅰ区。

b）金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳。

c）此时后面的金属仍然向前流动，但是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降。由于液流通过Ⅰ区终点时，尚具一定的过热度。将已凝固的壳重熔为第Ⅱ区。Ⅲ区是未被溶化而保留下来的一部分固相区，在该区的终点耗尽了过热的量。

d）在第Ⅳ区（再结晶温度下流动）里，液相和固相具有相同的温度-----结晶温度。由于该区的起点处结晶较早，断面上结晶完毕也较早，在它附近发生堵塞。而后，边结晶边收缩为喇叭口缩孔。流动特点：不仅可以在过热量作用下流动，结晶温度下仍可流动，流动距离较长。第54页，课件共71页，创作于2023年2月2、宽结晶温度范围合金的停止流动机理第55页，课件共71页，创作于2023年2月a）过热的量未散尽之前，金属液以纯液态流动。b）温度下降到液相线以下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。c)液流前端不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属液粘度增加，流动减慢。d)当晶粒数量达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络。当液流的压力不能克服此网络的阻力时，即发生堵塞并停止流动。试验表明：在液态金属的前端析出15～20%的固相量时，流动就停止。第56页，课件共71页，创作于2023年2月3、中等结晶温度范围合金的停止流动机理过热能量散失尽以前，金属液也可以纯金属液态流动。温度下降到液相线以下，首先生成了一批小晶粒，在型壁上长成细而长的柱状晶，空隙的液体继续流，流动过程继续生长柱状晶，在液体温度不段下降时，出现等轴晶，阻塞通道。介于两者之间，出现枝状晶时，温度不产生大量晶粒，但是生长到一定程度，等轴晶大量析出。第57页，课件共71页，创作于2023年2月（二）充型能力的计算在一定浇注条件下，合金的充型能力以停止长度L表示：

ʋ-在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速

-液态金属进入型腔到停止流动的时间对宽结晶温度范围的合金，其充型公式：第58页，课件共71页，创作于2023年2月三、影响液态金属充型能力的因素1、金属性质方面的因素合金成分第59页，课件共71页，创作于2023年2月第60页，课件共71页，创作于2023年2月（以Fe-C合金流动性与成分关系示意图分析）：第61页，课件共71页，创作于2023年2月铸铁中含有其他金属元素时，其流动性不同：加磷：流动性好加硅：与碳相似，量增加时提高流动性第62页，课件共71页，创作于2023年2月加锰：含量低于0.25%时，无影响，但此时有硫存在时，流动性降低加镍、铜：流动性有所提高加铬：流动性降低第63页，课件共71页，创作于2023年2月结晶潜热（次要因素）

纯金属和共晶成分合金在固定温度下，流动性好；结晶温度范围较宽的合金大部分不发挥作用，但也有特例（铝硅合金）第64页，课件共71页，创作于2023年2月金属的比热容（c）密度（ρ）和导热系数（λ）

比热容（c）密度（ρ）较大，因本身含有较多热量在相同过热度下，保持液态时间长，流动性好；

导热系数（λ）

λ小的合金，热量散失慢，流动性好

λ小的合金在凝固期间液固并存的两相区小，流动性好第