第1章 液态金属的结构和性质.ppt

1、任课教师：张英 Email: Tel:材料成形原理与工艺,1,最终成绩的计算方法： 平时：期中：期末=3:3:4 期中考试前后分别组织一次测验。 平时成绩包括：出勤+提问+作业+测验,现代科学技术的四大支柱,能源 信息 生物技术 新材料,3,材料要获得应有发展必须具备的条件： 一是材料必须具有能满足特定应用场合所要求的合适性能； 二是要有经济有效的成形方法将其成形为特定形状的制品。,制品成形工艺方法与成形行为 制品结构的形成过程与规律 制品结构与制品性能关系、 制品成形工艺条件对制品质量的影响规律,材料与成形工艺方法的选择 成形工艺过程与条件的确定 设备与模具的设计和

2、选用,4,5,例： 1、试将下列材料进行分类？ 黄铜、钢筋混凝土、橡胶、氯化钠、铅-锡焊料、沥青、 环氧树脂、镁合金、碳化硅、混凝土、石墨、玻璃钢 2、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？,材 料,金属材料 陶瓷 高分子（聚合物） 复合材料,7,8,金属材料的种类,最常用的金属合金是以铁和碳为基础的铁碳合金，用量占整个金属材料的90%。,材料成形原理和工艺体系,一、材料成形原理,按材料种类：金属成形原理、高分子材料成形原理、陶瓷成形原 理和复合材料成形原理； 一部分按成形工艺而另一部分按材料种类：铸造原理、锻造原理、冲压原理、焊接原理等； 按材料成形过程属性：流动形

3、变、固化成形、分子结构和组织结构变化等； 按成形加工过程中材料所经历的形态：液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成型及粉末成形等。,9,二、材料成形工艺,除去加工法通过将块体材料的一部分去除掉，剩余的材料得到一定的形状。如切削、磨削、腐蚀等； 连接（或附加）加工法与除去加工相反，通常是将材料附着或连接等方法造出形状来。如焊接、粘结等； 变形加工法通过改变材料的形状而造形的方法，使材料变形而赋予形状，一般是通过模具或工具对材料施加力，使材料变形流入型腔而复制出相同形状部件的方法。如金属塑性加工； 液态及粉末成形通过将材料熔化、浇注成形，或粉末材料压制、烧结成形的方法。如铸造、粉末冶金等

4、。,10,四大材料的成形工艺方法,11,不同物态成形工艺方法,12,三、材料成形工艺体系的发展,材料的成形工艺可以追溯到久远的古代，是与材料的发展密切联系在一起的，并反过来促进材料的发展。材料的成形工艺体系是基于传统材料金属和陶瓷的成形发展起来的，其中粉末冶金、铸造和锻造工艺最为源远流长。 在人类使用材料之初，用过兽骨，还通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器（瓷器），在烧陶过程中 人们掌握了金属（青铜）冶炼技术及金属成形工艺。,13,旧石器时代晚期，残长8.2厘米，北京周口店出土。,骨 针,14,旧石器时代早期，北京市房山区周口店第一地点出土。,石锤、石钻,15,石镰 长20.6厘米

5、 新石器时代晚期 距今7000年,16,(新石器时代仰韶文化，约5000年) 高16.5厘米，口径39.5厘米。20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土，现藏中国历史博物馆。,17,我国在原始社会后期开始有陶器，在仰韶文化和龙山文化时期制陶技术已相当成熟。,人面鱼纹彩陶盆,（新石器时代山东龙山文化，约4800年)，高29.7厘米，1960年山东潍坊市出土，现藏山东省博物馆。,白 陶,18,铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了闻名于世的以泥范(砂型)、铁范 (金属型)和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。 据考证，早在3000年前的商周时期，我国已发明了古代失蜡铸造法；战国中期，出

6、现了金属型铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。 河南安阳武官村出土的商代司母戊鼎，重834 kg，体积庞大，花纹精巧，造型精美。,战国时期的曾侯乙墓青铜盘尊,19,20,失蜡法是一种青铜等金属器物的精密铸造方法。 做法：用蜂蜡做成铸件的模型，再用其他的耐火材料填充泥芯和敷成外范。加热烘烤后，蜡模全部熔化流失，使整个铸件模型变成空壳，再往内浇灌溶液，铸成器物。,21,我国是世界上应用铜、铁最早的国家，远在4000年前就已经开始使用铜合金，至商周时代(公元前16世纪一公元前8世纪)达到了青铜文化的鼎盛时期。 公元前六七世纪的春秋时期已开始使用铁器，这比欧洲国家早了1800多年。战国时期

7、就发明了炼钢技术，创造了多种在当时比较先进的炼钢方法，并将其用于制造农具和兵器等。,商晚期，是我国现已发现的较大的方尊，高58.6 cm，重近34.5 Kg。整个器物用块范法浇铸，一气呵成，鬼斧神工，显示了高超的铸造水平。被称为“臻于极致的青铜典范”。,22,湖北江陵楚墓中发现的越王勾践青铜宝剑，长55.7 cm，柄长8.4 cm，剑宽4.6 cm。地下埋藏了2000多年，但依然刃口锋利，寒光闪闪，可一次割透叠在一起的十多层纸张。,23,西汉时期曾大量使用的“透光”铜镜，被西方人称为“中国魔镜”，就是我国古代工匠们巧妙地利用了因铸件壁厚不同形成的铸造应力及变形的原理而制成的。,24,现存于北京

8、大钟寺内的明朝永乐年间铸造的大铜钟，高6.75米，口径3.3米，重46.5 t，以“五绝”荣获“钟王”之誉： 1.形大量重、历史悠久、历史内涵最为丰富； 2.钟身内外整齐地铸有23万多字的汉文、梵文佛经铭文，是铭文字数最多的大钟； 3.有世界第一流的声学特性,轻击，圆润、深沉，重击，纯厚、洪亮,钟声悠雅感人,益寿延年，钟声可传4050公里； 4.钟体力学结构设计合理; 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实无华，天人合一，是中华民族精神的象征，中华民族的骄傲。,25,沧州铁狮铸造于公元953年。 铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,我国河北沧州的五代铁狮、湖北当阳的北宋铁塔等

9、，都是世界著名的巨型铸件。北京故宫、颐和园内精美的铜狮、铜鹤、铜龟和铜亭构件等，则是我国明清时期失蜡铸造的代表作。,26,27,这组金编钟不但用金量世所罕见，总重11439两，最重的无射钟，重924两，最轻的信应钟，也有534两，铸造工艺极为复杂。16只金编钟外表大小一样，只是通过钟壁薄厚来改变音调的高低。每只金钟高28 cm，最大口径16.5 cm。编钟顶端以瑞兽为钮，两条蟠龙跃然其间，波涛云海环绕其上，尽显帝王之象。每只金钟背后都铸有“乾隆五十五年造”的款式。,我国锻造和焊接技术也有着悠久的历史。 在河北藁城出土的商朝铁刃铜钺(越)是我国发现的最早的锻件(距今3000多年)。在河南辉县战国

10、墓中发掘出的殉葬铜器，其耳和足是用钎焊方法与本体连接的。,长8.7厘米 1977年北京市平谷县出土。 经化验，这件铁刃铜钺刃部的铁不是人工冶铸的铁，而是用陨铁锻造成薄刃后，浇铸青铜柄部而成。 就世界范围而言，人类往往在青铜时代使用陨铁制成兵器或工具，当冶铁术发明后，则不再用陨铁制器。,28,我国还是最早使用粘接技术的国家，在陕西临潼秦始皇陵陪葬坑发现的铜车马中，金银饰件的固定用的就是一种无机粘接剂。 我国明朝科学家宋应星著天工开物一书中，记载了冶铁、炼铜、铸钟、锻铁、焊接、淬火等多种金属成形和改性方法及生产经验，是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一。,29,秦始皇陵出土的铜车马(公元前2

11、00多年)，车通长3.17米，高1.06米，相当于真车马的一半，总重量为1241公斤。,30,近年来，材料科学的发展极为迅速。 以钢铁工业为例： 从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年的半个多世纪，中国产钢总量只有760万吨，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。 1996年至今，我国钢产量年年超过1亿吨，成为世界第一产钢大国。 而2013年中国的钢产量首超世界的一半，突破10亿吨。 这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。 但是我国又是一个钢的消费大国。 我国钢厂结构不合理，10以上的钢是由规模不到50万吨的小型钢铁企业完成的，70以上的生产能力是由150万吨以下的中小钢铁企业完成

12、的。 因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口。 所以，新一代钢铁材料的主要探索目标是提高钢材强度和使用寿命。,31,同时，我国的材料成形技术也有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440 t不锈钢转轮、750 t蜗壳和300 t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。30万吨超大型油轮(长333 m，宽58 m)、1000吨级的大型热壁加氢反应器(壁厚280 mm)、空间环境模拟装置(直径18 m、高22 m的大型不锈钢真空容器)等都是材料及材料成形工艺的重大成就。,32,汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。 以汽车生产为例，19531992年40年间，我国共生产汽

13、车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆(2007年上半年产量超过450万辆)， 2010年，年产量达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国，而2013年汽车产销量双超2000万辆，产销量世界第一。 据统计，全球汽车用材总质量的65由钢材(约45)、铝合金(约13)及铸铁(约7)通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。,33,目前材料成形工艺发展趋势： 材料成形向精密、精确、低能耗、无污染方向发展； 材料成形工艺向连续化、自动化方向发展，不断提高生产效率； 材料成形工艺由技艺发展称为工程科学，使工艺设计、工艺模拟和成形制造过程科学化； 各种新

14、技术在材料成形工艺方面获得应有； 计算机集成制造系统、智能制造技术等的应用，使成形工艺过程、结构和性能做到可设计和可监控，向实现制品性能裁剪的方向发展。,34,材料成形的基本过程,金属材料成形的基本流程,35,成形制品时材料及其成形工艺的选择,材料及成形工艺选择原则： 适用性：要求所选用的材料应保证制品的性能能满足使用要求，同时成形工艺方法和流程既对所选的材料适用，又对制品的形状和性能适用。 经济性：要求制品的最终成本应最低，制品成本包括所选的材料所包含的原料成本、成形工艺所产生的加工成本以及制品的使用成本，同时还得考虑制品使用寿命对制品成本的折算。 可行性：要求考察生产企业已有的原料、设备条

15、件以及社会协作关系等是否能保证材料的获得及成形工艺的实施。,36,材料选择的条件： 使用环境和使用性能,例如： 使用环境温度在700800，应选用哪一类材料？ 若要求制品同时具有绝缘性，又该选用哪一类材料？,注意： 材料在满足制品使用环境和物理机械性能要求的前提下，应考虑选择工艺性能良好的材料品种和规格，使材料适合于选择生产效率高的成形工艺流程，材料应同时保证各道工序所需要的工艺性能要求。,37,制品成形方案的选择： 在材料确定后，应根据材料的性质、制品形状特征和制品工作时的受力状态等来选择成形工艺。,例：铸铁和钢的成形工艺； 金属材料、聚合物及陶瓷材料的成形工艺,38,第一篇：液态成形理论基

16、础 第二篇：连接成形理论基础 第三篇：金属塑性加工力学基础 第四篇：塑料成型及粉末成形理论基础,目 录,39,第一章液态金属的结构与性质 第二章液态成形中的流动和传热 第三章液态金属的凝固形核及生长方式 第四章单相合金与多相合金的凝固 第五章铸件凝固组织的形成与控制 第六章特殊条件下的凝固,第一篇液态成形理论基础,40,第一章 液体金属的结构和性质（Structure and Property of Liquid Metal),凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。,主要研究对象液体金属 液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研

17、究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。,41,凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝固，这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。,42,水凝结成雪花晶体,43,塑料注射成型后的凝固,44,液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属,45,主要研究（学习）内容,（1）液体金属的性质 （2）晶体的生核和长大凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“热量传输” （4）具体合金的结晶方式单相结晶、共晶 （5）零

18、件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）,46,凝固技术发展历程,最古老的艺术、技术之一 冶铸技术 合金配制、凝固控制、组织控制,我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已很发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字俱全,铸造相当精美。曾候乙青铜器编钟，是距今2400多年前战国初期铸造的。 战国时期的考工记记载：“金有六齐：六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是世界上最早的合金配比规律。,47,20世纪60年

19、代后，研究的重点在经典理论的应用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造。调压铸造等凝固技术和材料成型方法。 其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。通过计算机定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结果更接近于实际。国际国内已出现了许多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。,48,凝固学与材料成形 液态成形：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规

20、律已成为重要的理论课题。 塑性成形：与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。 粉末成形：是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝固而成的。,49,第一章液态成形理论基础,第一节 材料的固液转变 第二节 液态金属的结构与分析 第三节 液态金属的性质 第四节 半固态金属的流变性及表观粘度,50,51,“两兄弟”金刚石和石墨,1-1材料的固液转变,骨灰钻石首先将碳从骨灰中提取出来，然后再加热到3000变成石墨。这些石墨被置入一个压力器中存放2星期，并在巨大的高温压力作用

21、形成 “人造钻石”，再经切割、加工、抛光，成为一种“绝无仅有的永恒纪念品”。,这也是利用高压下进行同素异构转变的工业技术的一个分支！,52,固态金属在固态温区内的不同区间具有不同晶格类型的性质，称为同素异构性。 发生晶格改变的过程称为同素异构转变。,铁碳合金,53,铁碳合金的基本组织 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体,铁碳合金是指以铁和碳为主要元素组成的合金，在其中还含有其它的合金（如Si、Mn、Cr、Ni、Ti等）,54,铁碳合金的基本组织,55,铁碳合金状态图,56,57,（1）AC线，液相向奥氏体转变的开始线。即：LA。 （2）CD线，液相向渗碳体转变的开始线。即：LFe3C。 A

22、CD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。,F,58,（3）AE线，液相向奥氏体转变的终了线。 （4）ECF水平线 共晶线。 AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固相，此线以下为固相区。 （5）ES线 又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：LFe3C。,59,（6）GS线，又称A3线，奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线。 （7）PSK水平线，共析线（727，同时析出铁素体和渗碳体），又称A1线。 （8）PQ线，碳在铁素体中的溶解度曲线。,60,根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为： 工业纯铁 c0.0218%。 钢 0.0218%

23、c2.11%： 亚共析钢 0.0218%c0.77%； 共析钢 c=0.77%； 过共析钢 0.77%c2.11%。 白口铸铁 2.11%c6.69%： 亚共晶白口铸铁 2.11%c4.3% 共晶白口铸铁 c=4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%c6.69%,61,讨论：金属从固态熔化为液态时会发生哪些变化？,从宏观意义而言，凝固不过是一种相变，即物质从液态转变成固态的过程由液态金属转变成固态金属的过程，因而液态金属的特性必然要影响凝固过程。,62,固态金属 按原子聚集形态分为晶体与非晶体。 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 在晶体中所有原子排列位向相同者称为单

24、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。,63,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。 固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶体 。,64,这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。,65,表1-2 一些金属的熵值变化,表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化,熔体在凝固时要

25、放出热量，说明熔体内的质点在凝固到某一温度时，结构相应进行调整或重排，以达到该温度时平衡结构，同时放出能量结构松弛。,熔体在凝固过程中，若： 结构调整速率凝固速率： 熔体凝固时能达到平衡结构； 结构调整速率凝固速率： 熔体结构来不及调整， 则偏离平衡结构而呈非晶态。,总结：,66,2-2 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（表1-2），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原子之间仍然具有很高的结合能。,67,讨论： 液态金属是更接近气体还是固

26、体？,68,晶体与熔体的体积密度相近,当晶体熔化为液体时体积变化较小，一般不超过10%（相当于质点间平均距离增加3%左右）；而当液体气化时，体积要增大数百倍至数千倍（如水增大1240倍）。,由此可见，液体中质点之间的平均距离与固体十分接近，而和气体差别较大。,69,晶体的熔解热不大，比液体的气化热小得多,例如：Na晶体的熔化热为2.51kJ/mol， Zn晶体的熔化热为6.70kJ/mol， 冰的熔解热为6.03kJ/mol， 水的气化热为40.46kJ/mol。,说明晶体和液体内能差别不大，质点在固体和液体中的相互作用力 是接近的。,70,固液态热容量接近,说明质点在液体中的热运动性质（状态

27、）和在固体中差别不大，基本上仍是在平衡位置附近作谐振动。,71,X射线衍射分析 图1-5是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。 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。,图1-5 700时液态Al中原子分布曲线,72,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

28、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。,73,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。,74,表1-3 X射线衍射所得液态和固态

29、金属结构参数,75,总结：,液体衍射峰最高点的位置与晶体相近表明了液体中某一质点最邻近的几个质点的排列方式与间距和晶体中相似。液体衍射图中的衍射峰都很宽阔，这是和液体质点的有规则排列区域的高度分散有关。 故，在高于熔点不太多的温度下，液体内部质点的排列并不像气体那样杂乱无章，相反，却具有某种程度的规律性，体现了液体结构中的近程有序和远程无序的特征。,76,液态金属的结构特征 ）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。 ）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

30、属结构示意图,77,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。,78,-3 液态金属的性质粘度,79,80,影响液体金属粘度的主要因素是： 化学成分、温度和夹杂物。,81,例1：石英晶体和石英玻璃结构,82,玻璃的结构与相应的晶体结构相似，同样形成连续的三维空间网络结构。 但玻璃的网络是不规则的。非周期性的，因此玻璃的内能比晶体的内能大。

31、 但玻璃的强度与晶体的强度属于同一数量级，玻璃的内能与相应晶体的内能相差并不多，故它们的结构单元应是相同的，不同之处在于排列的周期性。,当引入的金属阳离子（如K+）半径大、电价低时：与O2-的作用力较小，提供了系统中的“非桥氧”，O/Si比增加，硅氧负离子团解聚成简单的结构单位，使活化能降低，粘度减小。 当引入的金属阳离子（如Ai3+）电价较高，半径不大时：其离子势Z/r增大，倾向于形成更为复杂巨大的聚合阴离子团，使粘滞活化能增加，粘度增大。 当引入阴离子（如F、SO32）：F-离子半径与O2-离子半径相近，易发生取代，但F-离子只有一价，将原来的网络破坏后难以形成新网络，所以粘度降低。 T，

32、。,83,例2：液态金属,熔点高的共晶成分合金（键力强），粘度高，反之粘度低； 液态金属中含固态的非金属夹杂物时（如钢中的硫化锰、氧化铝等）：使液态金属成为不均匀的多相体系，导致液相流动时的内摩擦力增加，粘度增大。 材料成形过程中的液体金属进行冶金处理（如晶粒细化），粘度降低。,84,粘度在材料成形中的意义,先引入运动学粘度及雷诺系数的概念： 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

33、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。,85,86,圆形管道： 设 为液体流动时的阻力系数，则： 显然，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。由此可知，在层流情况下的液体流动要比紊流时消耗的能量大，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流，但在充型后期或狭窄的枝晶间的补缩和细薄铸件中为层流。,流态对流动阻力的影响： 根据流体力学：当雷诺数Re2300时为紊流，Re2300时为层流,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

34、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。,87,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。,88,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。,89,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，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

35、面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度和可进行到何种程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，金属液和熔渣的动力学粘度低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素。,90,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）。,粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；

36、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。,91,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。因此，熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。,92,熔体的性质表面张力,形成：熔体表面层的质点受到内部质点的吸引力比表面层空气介质的引力大，则表面层质点有趋于熔体内部并使表面积有尽量收缩的趋势，结果在表面切线方向上有一种缩小表面的力作用着，这个力即表面张力。,物

37、理意义：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位N/m。,表面能：熔体与另一相接触的相界面上，在恒温、恒压条件增加一个单位表面积时所做的功，单位J/m2。,93,94,影响液体金属表面张力的主要因素是： 化学成分、温度和夹杂物。 取决于质点间的作用力。,95,（2）结构类型相同的离子晶体，其晶格能越大，则其熔体的表面张力也越大；其单位晶胞边长越小，熔体的表面张力也越大。 即熔体表面张力随内部质点间的相互作用力的增加而增大。,96,（3） 组成,表面活性元素（正吸附元素）使表面张力降低的元素。 非表面活性元素（负吸附元素）提高表面张力的元素。,加入某些物质后能改变液体的表面张力 改变了液体表面层

38、质点的力场分布不对称程度。,97,吸附是液体或气体中某种物质在相界面上产生浓度增高或降低的现象。 当向溶液中加入某种溶质后，使溶液表面自由能降低，并且表面层溶质的浓度大于溶液内部深度，则称该溶质为表面活性物质（或表面活性剂），这样的吸附称为正吸附（VB0）。 反之，如果加入溶质后，使溶液的表面自由能升高，并且表面层的溶质浓度小于液体内部的浓度，则称该溶质为非表面活性物质（或非表面活性剂），这样的吸附为负吸附（VB0） 。,98,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,99,（4） 熔点： 熔点、沸点高，则表面张力也大。,100,（5）两种熔体混合时，表面张力不具加和性

39、， 其中较小的被排挤到表面富集，混合体的表面张力以较小的为主。,101,（7） 熔体周围的气体介质对表面张力的影响。,非极性气体（如干燥的空气、氮气、氢气等）：对表面张力基本无影响； 极性气体（如水蒸气、二氧化硫、氨气、氯化氢等）：降低表面张力，而且介质的极性越强，表张力降低的越多，即与气体的偶极矩成正比。 此外，气体介质的性质对表面张力也有强烈的影响。一般说，还原气氛下熔体的表面张力较氧化气氛下大20%。,102,103,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

40、力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）,104,（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。,105,表面为平面时（曲率半径为无穷大），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