第1章 液态金属的结构和性质

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1、第一篇 液态成形理论基础,第一章 液态金属的结构和性质 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,第一章 液体金属的结构和性质,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。,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

2、。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。,水凝结成雪花晶体,液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属,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“三传” （4）具体合金的结晶方式单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）,理论基础 物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。,研究内容 液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法。 影响液态金属凝固过程的最主要因素

3、是化学成分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外在的工艺因素。 液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对凝固过程产生重大的影响。,1-1 材料的固液转变,H2O的 “三态”转变,图1-2 H2O的压力温度相图,纯铁的“三态”转变,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。,液态金属 液态金

4、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 。,金属的固液转变,固态金属,原子激活,继续加热 温度升高,晶界原子向邻近晶粒跃 晶界粘性流动熔化,继续加热 温度不变,晶粒形成原子集团、游离原子、空穴液态,加热 温度升高,液态金属的热物理性质 1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3%5%。即原子间距平均只增大1%1.5，这说明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有一定的规律性。 2潜热 熔化潜热一般只

5、有升华热的3%7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1,表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化,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。,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。液态金属原子之间仍然具有很高的结合能。,X

6、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,固态Al,700 Al,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

7、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。,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。,表1-3 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数,液态金属的结构特征 ）组成：

8、液态金属是由原子集团、游离原子和空穴构成。 ）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。,液态金属结构示意图,改变这三种起伏的状态，是进行熔体处理控制凝固组织的重点。,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。,近程有序结

9、构的配位数可由下式计算：,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 （类似于固体，不同于气体）； 液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。,-3 液态金属的性质,或Pa.s,1、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。,粘度单位：,富林克尔动力学粘度表达式：,粘度与原子离位激活能U呈正比，与其平均原子间距呈反比，其实质是

10、原子间的结合力 影响液态粘度的主要因素： 化学成分：难熔化合物的液态粘度高，低熔点的共晶成 分合金粘度低。 温度：与温度T的关系受正比的线性关系和负的指数关 系所共同制约，总的趋势随温度T而下降。 非金属夹杂：液态金属的粘度升高。,（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 ：,可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比,设f为流体流动时的阻力系数，则有：,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

11、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。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。,（2）对液态合金流动阻力的影响 根据流体力学，Re2300为湍流（紊流），Re2300为层流。Re的数学式为,（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。,（4）粘度对成形质量的影响,a. 影响铸件轮廓的清晰程度,在薄壁

12、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。,（4）粘度对成形质量的影响,b.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。,（4）粘度对成形质量的影响,c.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

13、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。,d.影响精炼效果及夹杂或气孔的形成,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。,（4）粘度对成形质量的影响,（一）表面张力的实质及影响因素,2、表面张力,原子或分子处于力的平衡状态,受力不均，指向内部的合力，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。,（1）表面张力及其产生的原因,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。 表面张力即单位面积自由能，是由于物体在表面上的质点受力不均

14、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，但都以（或）表示，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、erg/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

15、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。 界面能与两个表面的表面能之间的关系： AB=A+B-WAB 两相间结合力越强，粘附功WAB越大，界面张力越小。,润湿角衡量界面张力的标志, 90o, 90o, = 0o, =180o,Absolute wetting,No wetting,润湿现象,（二）影响表面张力的因素 影响金属表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。降低颗

16、粒半径能够降低金属的熔点。,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（削弱原子间结合力），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。,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,P、S、Si对铸铁熔液表面张力的影响,拉普拉斯扬方程式： 当曲面是球面一部分时，r1 = r2， 则得到附加压力与曲率半径的关系 表明:半径越小，附加压力越大， 凸面液体（如液珠）r 0，附加压力p为正； 凹面液体（如液体中的气泡）r 0，附加压力p为负； 平面液体r =