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1、第一章 液态金属的结构与性质,第一节 引言 第二节 液态金属的微观结构 第三节 液态金属的性质 第四节 液态金属的充型能力,第一节 引言,一、液体的分类 二、液体的表观特征 三、液体的结构、性质与材料成形的关系,一、 液体的分类,按液体的构成类型，可分为： 原子液体（如液态金属、液化惰性气体） 分子液体（如极性与非极性分子液体）， 离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）,二、 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
2、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）。,液 体 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。,三、液体的结构和性质与材料成形的关系,液体的界面张力、潜热等性质 凝固过程的形核及晶体生长的热力学 熔体的结构信息 凝固的微观机制 液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质 成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式 热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度 铸造合金及焊接熔池的精炼,第二节 液态金属的
3、微观结构,一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 二、 由物质熔化过程认识液体结构 三、液态金属结构的理论模型,一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征,晶体： 平移、对称性特征（长程有序） 原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动。 气体： 完全无序为特征 分子不停地作无规律运动,液体： 长 程 无 序 不具备平移、对称性； 近 程 有 序 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性。,液态金属的衍射结构参数,偶分布函数 g(r) 与 平均原子间距 r1 径向分布函数 与 配位数 N1,
4、偶分布函数 g(r) 物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率. 换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r = 0）距离为 r 位置的原子数密度 (r) 对于平均数密度o（=N/V）的相对偏差。 (r) = o g (r) 图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征,平均原子间距 r1： 对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。 r = r1 表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。,径向分布函数 RDF RDF = 4r 2o g(r) 表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。,配位数N1：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数
5、。 配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积,N1 与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。,二、 由物质熔化过程认识液体结构,物质熔化时体积变化熵变(及焓变)一般均不大（见表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）为3%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为1/151/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。,三、 液态金属结构的理论模型,（一） 无规密堆硬球模型 （二） 液态金属结构的晶体缺陷模型 （三） 液体结构及粒子间相互作用的
6、理论描述 （四） 实际液态金属的微观特点,液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。 微晶模型： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，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。,空穴模型： 金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。,位错模型： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。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
7、度位错的突然出现而变成液体。,（四） 实际液态金属的微观特点,“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 。,第三节 液态金属的性质,一、液态金属的粘度 二、液态金属的表面张力,一、液态金属的粘度,（一） 液态金属的粘度及其影响因素 （二） 粘度在材料成形中的意义,（一）液态金属的粘度及其影响因素,1. 液体粘度的定义 2. 粘度的影响因素,1. 液体粘度的定义,粘度系数-简称粘度(动力学粘度)，是根
8、据牛顿提出的数学关系式来定义的： 平行于X方向作用于液体表面 （X-Z面） 的外加剪切应力， VX液体在X方向的运动速度， dVX/dy表示沿Y方向的速度梯度。,外力作用于液体表面各原子层速度,表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力成正比。 通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。,粘度的物理意义可视为：作用于液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。 液体粘度量纲为M / LT，常用单位为 PaS 或 MPaS。,2. 粘度的影响因素,粘度表达式： K b Bolzmann常数； U 为无外力作用时原子之间的结合能 0 为原子在平衡位置的振动周期（
9、对液态金属约为10-13秒） 液体各原子层之间的间距,粘度随原子间结合能U按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；,粘度的影响因素：,粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；,与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度T而下降（见图1-9）；,合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：,M-H（Moelwyn-Hughes）模型： 1纯溶剂的粘度；2溶质的粘度；X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数，R为气体常
10、数，Hm 为两组元的混合热。,若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（Hm为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）,若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。,表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素Na）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。,（二） 粘度在材料成形中的意义,影响成形过程的粘度包括动力学粘度 与动力学粘度 。 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
11、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。,对流动阻力有影响的因素除了粘度外，还有流态。 当雷诺数Re2300 时为紊流，Re2300 时为层流 圆形管道的雷诺数： f 为液体流动的阻力系数： 0.2 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。,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、
12、扩散脱氧； 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。,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。,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。,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
13、。,反应速度受到反应物及生成物在金属液和熔渣中扩散速度的影响，金属液和熔渣的粘度低有利于扩散并脱去杂质元素。,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；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。,对焊缝的合金过渡影响,在焊缝
14、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。,二、液态金属的表面张力,（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素 （二）表面张力在材料成形生产技术中的意义,（一）表面张力的实质及影响因素,表面张力及其产生的原因 表面自由能与表面张力的关系 表面与界面 影响表面张力的因素,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。,表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液
15、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，而前者特指液体（或固体）与气体之间的交界面
16、，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。,4、影响表面张力的因素,1）表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力u0表面内能 表面张力 2）表面张力与原子体积（3）成反比，与价电子数Z成正比 3）表面张力随温度升高而下降 4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响 向系统中加入削弱原子间结合力的组元会使表面张力降低。,（二） 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 液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）,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
