第2章液态金属的结构与性质

1/36材料成形原理材料成型与控制专业第二章液态金属的结构与性质

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液态金属：具有良好导电性和导热性，并在宏观上呈无规则排列的原子集团，叫液态金属。为什么研究液态金属的结构与性质？因为对铸件有以下影响：（1）结晶过程；（2）晶粒组织；（3）缺陷：偏析、气体、非金属夹杂物。3/36二、理想纯金属的液态结构特点1、原子间保持较强的结合能；2、原子排列小距离内（仅在原子集团内——几十到几百个原子的集团）有规律——近程有序；3、原子集团处于瞬息万变状态——能量起伏；4、原子集团之间存在“空穴”，共有电子运动发生变化；（电子难飞跃“空穴”，电阻率升高）5、原子集团尺寸、速度与温度有关。（温度升——尺寸降、速度大）4/36三、实际金属的液态结构特点1、存在大量杂质原子（1）杂质是多种多样的，非一种；（2）杂质分布不均匀；

浓度起伏：游动原子集团之间存在成分不均匀性；

结合力不同：结合力强的易聚；

能量起伏：各原子间能量不同或各原子团尺寸不同。5/36（3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。

A、B结合力较强——形成新的化学键——临时不稳定化合物；（低温化合，高温分解）

A、B结合力非常强——形成强而稳定的化合物——新相；

B-B、B-A结合力小于A-A，则A-A原子聚集——B被排斥在集团外或液体表面——降低表面张力——表面活性元素。6/363、实际金属液态结构——非常复杂。（1）也存在游动原子团、空穴及能量起伏；（2）原子团、空穴中有各种合金元素及杂质元素；（3）存在浓度起伏；（4）存在不稳定或稳定化合物（固、气、液）。7/362.2液态金属的性质8/36一、粘度1、概念：液体在层流运动情况下，各液层间有摩擦阻力——粘度。

用牛顿粘性定律表达：η为动力粘度，τ为切应力，dv/dx为速度梯度。9/362、影响因素粘度大小由液态金属结构决定，与温度、压力、杂质有关。（1）温度：温度升——粘度降；（2）化学成分：

1）杂质数量、形状和分布，影响粘度；固态杂质——粘度增大；杂质多——粘度增大。

2）同一合金，成分不同——粘度不同。接近共晶成分——粘度降低。10/363、粘度对材料成型的影响（1）金属液净化（气体、杂质的排出）；（2）流动阻力与充型；（3）凝固过程中的对流。stocks原理11/36二、表面张力1、概念：金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的绷紧力或单位表面积上的能量，称表面张力。液相气相12/362、影响因素（1）温度多数：温度上升——表面张力下降；

反常：温度上升——表面张力升高，如铜、铁。（2）溶质（杂质）表面活性物质：表面张力下降——正吸附；表面非活性物质：表面张力升高——负吸附。（3）液体的性质不同液体，表面张力不同。3、表面张力对材料成型的影响对金属晶体形核（形核功）及生长（结晶形态）、机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等有影响。13/362．3液态金属的流动性及充型能力14/36一、流动性1、概念：液态金属本身的流动能力。2、影响因素：成分、温度、杂质含量及物理性质。与外界因素无关。3、作用：好的流动性利于缺陷的防止：（1）补缩；（2）防裂；（3）充型；（4）气体与杂质易上浮。4、测定：浇注流动性试样。

试样结构、铸型性质、浇注条件相同，改变合金成分，测试样长度。15/36二、充型能力

16/361、概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。2、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施内因：自身流动性外因：型的性质、浇注条件、件结构17/36（1）金属性质1）合金成分纯金属、共晶成分合金和金属间化合物的地方，流动性有最大值。（1）凝固点固定；（2）逐层凝固；（3）凝固层内表面平滑，阻力小；（4）流动时间长。有结晶温度范围的地方流动性下降，在最大温度范围处，流动性最差。（1）凝固温度区间；（2）断面存在两相区；（3）前端枝晶数多，粘度大，流速小。18/362）结晶潜热纯金属、共晶成分合金：凝固点固定，潜热能发挥，利于流动；结晶温度范围宽的合金：散失部分潜热后晶粒成网，阻塞流动，潜热难发挥。对流动性影响不大。3）比热、密度、导热系数比热、密度大合金：含热量多，保持液态时间长，流动性好。导热系数小合金：散热慢，流动时间长。19/364）粘度层流：影响大。停流前一刻，通道面积小，粘度大。紊流：影响小。实验证明，除停流前一刻，均为紊流。5）表面张力对薄壁件，件的细薄部分有影响；通常不润湿，阻碍型腔充填。20/36

综上所述，为提高充型能力，在金属方面采取以下措施：1）正确选择合金成分：尽量选共晶或结晶温度范围小的合金；2）合理的熔炼工艺——减粘、减表面张力原材料：去杂质熔炼：少接触有害气体熔化后：脱氧、精炼21/36（2）铸型性质方面因素1）型的蓄热系数：指铸型从金属吸取并储存在本身中热量的能力。

型的蓄热系数大——型激冷能力强——金属保持液态时间短——充型能力下降。生产中可用涂料调整。2）型温度

预热型——减小型/金属液温差——充型能力提高。3）型中气体型能发气——金属/型间形成气膜——减小摩擦阻力——易充型。但是：气太多——反压力大，浇不进去：翻腾、飞溅。解决方法：（1）降低含水、发气物含量；（2）提高型透气性。22/36（3）浇注条件方面因素1）浇注温度温度高——充型能力强。但超过某界限，吸气多、氧化严重，充型能力提高不明显。生产中，对薄壁件及流动性差合金，可提高浇温。缺点：浇注温度高——组织粗大、缩孔、缩松、粘砂、裂纹易产生。23/362）充型压头压力大——充型好生产中，增加金属静压头。但压头也不能过高。缺点：充型速度过大，产生喷射、飞溅（氧化、铁豆）；气体不易排出（浇不足、冷隔）。3）浇注系统的结构复杂——流动阻力大——充型能力下降。24/36（4）铸件结构方面的因素

通常用铸件的“折算厚度”和复杂程度衡量铸件