液态金属的结构与性质

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1、1,第二章 液态金属的结构与性质,2,第一章 液态金属的结构和性质,第一节 固体金属的加热与熔化 第二节 液态金属的结构 第三节 液态金属的性质 第四节 液态金属的充型能力 第五节 半固态合金的流变性及半固态 成 形,3,第一节 固体金属的加热与熔化,1. 固体金属的热运动由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之间的平衡关系，如图所示,2.金属的熔化,4,图1 金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系 图2 加热时原子间距和原子势能的变化,5,金属的膨胀及熔化,能量起伏(内蒸发):空穴的产生,温度愈高，原子的能量愈大，产生的空穴数目愈多，金

2、属膨胀。,第一节 固体金属的加热与熔化,6,金属熔化,（从固态金属熔化来考察液态金属的结构） 金属加热时，Em增加； 金属的熔化首先是从晶界开始； 当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之间更容易产生相对运动；,晶内,晶界,第一节 固体金属的加热与熔化,7,金属熔化,熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要继续提供能量使原子间的结合进一步破坏； 与固态比较：,体积变化：固气：体积无限膨胀；固液：体积35，原子间距11.5；,熔化潜热：仅为升华热的37；,第一节 固体金属的加热与熔化,8,表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）,9,(,Hb /,表

3、1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb),10,金属熔化,因此，金属的熔化并不是原子间结合的全部破坏，液体金属内原子的分布仍具有一定的规律性，其结构类似于固态。而不是类似气体，只是原子的热运动加剧。,第一节 固体金属的加热与熔化,11,1. 间接法 通过比较固液态和固气态转变的物理性质的变化判断。（1）体积和熵值的变化（2）熔化潜热和汽化潜热 2. 直接法 X射线或中子线分析研究液态金属的原子排列。液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与其固态的排列方式基本一致，但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。,第二节 液态金属的结构,1.纯金属的液态

4、结构,12,700时液态Al中原子分布图,13,1.纯金属的液态结构,原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。 原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规律性。(固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到很大破坏) 原子集团时刻在变化； 原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”；（解释：大部分金属熔化时电阻率增加？） 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。,“结构起伏”,“能量起伏”,第二节 液态金属的结构,14,液态金属是由许多“游动的原子集团”所组成，在集团内可看作是空位等缺陷较多的固体，其原子排列

5、和结合与原有固体相似，但存在很大的能量起伏，热运动很强。原子集团间存在空穴。温度越高，原子集团越小，游动越快。故液体既有很好的流动性，只要在重力场的作用下，其外形就行随容器而变化。,第二节 液态金属的结构,15,2.实际金属的液态结构,原子间结合力不同，产生的起伏,能量起伏,浓度起伏,结构起伏,第二节 液态金属的结构,16,“能量起伏” “结构起伏”液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 “浓度起伏” 同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。,17,1200 ,1700 ,

6、1550 ,1400 ,18,A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；,A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;,假如B-B结合力A-A及A-B：吸附甚至分层；,以仅含一种杂质元素为例:,第二节 液态金属的结构,2.实际金属的液态结构,19,1)合金多； 2)原材料中存在多种杂质； 3)工艺上造成；,实际金属在微观上是由成分和结构不同的游动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，是一种“浑浊”液体。,2.实际金属的液态结构,第二节 液态金属的结构,20,1.凝聚理论：把液体看做稠密气体，用气体动力学理 论来解释液体金属结

7、构。 2.点阵理论：在晶体点阵中引入各种缺陷来描述液体金属结构。 3.几何理论：球体密集堆积。,3. 液态金属结构理论,第二节 液态金属的结构,21,第三节 液态金属的性质,物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等； 物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等； 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它,22,1.熔点和熔化潜热 确定熔炼和浇铸温度纯金属在一定的温度下熔化及凝固，而大部分合金（除共晶成分合金）则在一个熔化（或结晶）温度区间。熔化温度区间的大小取决于合金的种类和化学成分，同时也影响金属的流动性、铸件的结晶过程及宏观组织，因而也影响逐渐的质量和性能。对大多

8、数合金而言，熔化所吸收的热量包括：真正的熔化热；从固相线加热到液相线所吸收的热量。,第三节 液态金属的性质,23,2.沸点和蒸发热各种金属的沸点差别很大。熔点和沸点无直接关系，利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损量，蒸发热远高于熔化热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。,第三节 液态金属的性质,24,3.比热容 比热容小，结晶时铸件断面温差大，容易出现集中缩孔。 4.导热性 导热性好，冷却速度快，金属断面温度梯度小，热应力小。,第三节 液态金属的性质,25,5.热膨胀和凝固收缩 绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后体积变小，密度增大。液态金属比固态金属具有更大的热膨胀率，这主要是由于液态金属

9、内部的热运动使空位和空穴增加。固态晶体中空位数大约为10-310-6，随温度上升，空穴数不断增加，当金属熔化时空位和空穴数显著增加，液态体积也明显膨胀。但也有例外：Bi、Si等。合金的凝固收缩往往和合金的种类、成分及其中是否存在气体有关。 6.扩散系数液态时空位数大大增加，大约10个原子中就有一个空位，因此扩散速度大为加快，液态中扩散速度比固态晶体中大102105倍。,第三节 液态金属的性质,26,7.液态金属的粘度,粘滞性：对金属的流动特性、充型、金属中气体和夹杂的上浮、补缩有明显影响。 粘度:液体在层流运动的情况下，各液层间有摩擦阻力，称为液体的内摩擦，妨碍液体的流动。此种内摩擦阻力是液态

10、金属的物理特性之一，称为粘度。金属的流动性就是粘度的倒数。粘度是由液态金属的结构决定的，而结构又与温度、压力、杂质含量有关。牛顿流体:动力黏度物理意义:,当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力;,=F/(Sdv/dx),第三节 液态金属的性质,27,粘度系数(20kTeQ/kT )/3,运动粘度： 运动粘度物理意义：,V=/,表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,28,影响粘度的因素：,温度,T小，指数项比乘数项的影响大，T , T高，乘数项将起主要作用，T ,实际液态金属过热度不高时，系数的变化是次要， 故可认为液态金属的粘度因温度升

11、高而降低。,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,29,化学成分,粘度本质 原子间的结合力（与熔点有共性） 状态图,难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度较低；,影响粘度的因素：,7.液态金属的粘度,第三节 液态金属的性质,30,影响粘度的因素：,7.液态金属的粘度,第三节 液态金属的性质,31,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,影响粘度的因素：,随碳含量增加，溶液的粘度下降且在亚共晶成分前熔点也随之下降。当温度一定时，随碳含量增加，过热度增加，粘度下降。,32,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,黏度在材料成形中的作用和意义:,黏度对液态金属充型速度的影响

12、,流体的流动状态由雷诺数Re来决定，当Re2320时，流体以紊流方式流动。,33,粘度对流动阻力的影响,实际应用：,一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降，才出现层流。,紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型。,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,黏度在材料成形中的作用和意义:,34,粘度在材料成形中的作用和意义:,对液态金属对流的影响,产生对流的条件：温差和浓度差浮力粘滞力 对流强度：格拉晓夫数,rL,rL C,动力黏度越大，则对流强度越小,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的粘度,液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有

13、重要影响。,、分别为由温差和浓度差引起的金属液体积膨胀 L水平方向上热端到冷端距离的一半宽度。,35,黏度在材料成形中的作用和意义:,对液态金属净化的影响,斯托克斯公式：,g(液-杂)r/9,仅当杂液，夹杂才能上浮，越大，夹杂及气泡越难以排除,第三节 液态金属的性质,7.液态金属的黏度,36,课堂作业,1.钢液中的MnO，当钢液为1550时，=0.0049Ns/m2。液=70009.81N/m3， 杂=54009.81N/m3，对于r=0.0001m的球形杂质，其上浮速度为多少？ 2.铝液中的Al2O3，当铝液为780时，=0.00106Ns/m2。液=24009.81N/m3， 杂=4000

14、9.81N/m3，对于r=10-6m的球形杂质，其下沉速度为多少？,37,表面张力的本质,概念：表面，表面张力，表面自由能，界面,W= F,表面张力,第三节 液态金属的性质,8.液态金属的表面张力,38,薄膜宽度为b，受一个绷紧力F，则F=b 为表面张力系数，或表面张力（N/m）物理意义：薄膜单位长度上所受的绷紧力。 由于力F的作用，薄膜被拉长l ，则F对薄膜所做的功W为W=Fl =bl=S 做功使得薄膜能量增加E，因此E=W=S则=E/S 故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。,表面张力的本质,8.液态金属的表面张力,39,表面张力引起的附加压力,附加压力：,图,8.液态金属的表面张力,4

15、0,表面张力引起的附加压力,附加压力：通用计算公式（课后作业）,方向：,8.液态金属的表面张力,r1和r2是液体曲面上两个相互垂直弧线的曲率半径,41,影响表面张力的因素,B.温度： ， , 特殊现象（铜和铸铁）；T增大，液体质点距离增加，彼此作用力下降，表面张力减小,A.化学键的影响：金属键离子键范德华力,8.液态金属的表面张力,42,正吸附和负吸附； 表面活性物质和非表面活性物质：,影响表面张力的因素,C.溶质元素：,单位表面积上吸附量的 吉布斯公式：,单位表面积上较内部多（或少）吸附的溶质的量,8.液态金属的表面张力,43,44,8.液态金属的表面张力,1)内聚功和附着功,由外力克服原液柱本身之内聚力而做的功，称为内聚功,由外力克服原液柱和固体柱之间的附着力而做的功， 称为附着功,45,8.液态金属的表面张力,46,润湿角：,cos(SG-LS)/LG,能润湿； 完全润湿； 不能润湿； 完全不润湿。,8.液态金属的表面张力,47,表面张力引起毛细现象,毛细现象：具有细微缝隙的固体与液体接触时，液体沿缝隙上升或下降的现象；,图,2/rgh 2cos/gr1,在一定温度下，毛细管的半径愈小，液体对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；液体不润湿，则形成凸液面，液面下降,