第一章液态金属

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1、第一章 液态金属第一节 液态金属的结构和性质第二节 液态金属的充型能力第三节 液体金属的流动第四节 金属凝固过程中的传热第一节 液态金属的结构和性质一、 液体的表观特征 1 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 2 液体最显著的性质：具有流动性， 3 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： 4 具有自由表面-类似于固体，不同于气体 5 液体可压缩性很低-类似于固体，不同于气体,总之：液体结构液体性质 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

2、张力等； 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它第一节 液态金属的结构和性质二、 液体的结构和性质（原理）与材料成形（工艺）的关系 凝固过程的形核及晶体生长的热力学-液体的界面张力、潜热等性质 探索凝固的微观机制-了解熔体的结构信息 成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式-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 铸造合金的传热-热力学因素影响外，反应物和生成物在金属熔体中的扩散速度第一节 液态金属的结构和性质三、 液体与晶体、气体结构比较 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

3、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第一节 液态金属的结构和性质四、 液体金属结构研究方法 1、间接方法：通过固态液态、固态气态转变后物理性质变化判断原子结合状况； 2、直接方法：X射线衍射（或中子线）进行结构分析。第一节 液态金属的结构和性质 1、由物质熔化过程认识液体结构 1） 晶体结构能量最低原理： 晶体原子按能量最低原理排列加热时金属原子间距变化与原子间能垒由物质熔化过程认识液体结构2）膨胀：R1R4，原子间距增大；内蒸发：原子在晶体中

4、“游动”空穴3）熔化：金属熔化时典型的体积变化Vm/Vm为35%左右，表明液体的原子间距接近于固体，熵变(及焓变)均不大（见表1-1）即熔点附近系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体； 另一方面，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。 由此可见：金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。可以说，在熔点（或液相线）附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类似于固体，而与气体截然不同。但需要指出，在液-气临界点(Tc)，液体与气体的结构往往难以分辨，说明接近Tc 时，液体

5、的结构更接近于气体。2、从X射线衍射分析认识液态金属v偶分布函数偶分布函数g(r) 的物的物理意义：距某一参考理意义：距某一参考粒子粒子r 处找到另一个处找到另一个粒子的几率，换言之，粒子的几率，换言之，表示离开参考原子表示离开参考原子（处于坐标原点（处于坐标原点r=0）距离为）距离为r 位置的位置的数密度数密度(r)对于平均对于平均数密度数密度o（=N/V）的相对偏差。的相对偏差。v (r)= o g(r)973K时液态铝原子径向分布函数曲线v径向分布函数径向分布函数RDF 的物理的物理意义：在距某一参考粒子意义：在距某一参考粒子r和和r+dr之间的球壳中的原子数。之间的球壳中的原子数。v光

6、滑曲线光滑曲线4r20v液体配位数液体配位数为该曲曲线第第一峰下面一峰下面积第一节 液态金属的结构和性质v五、液态金属结构的理论模型v 1、钢球模型：在紊乱密集的球堆中存在高度致密区。v 2、晶体缺陷模型：液态金属中存在“能量起伏”和“结构起伏”；v 3、建立在计算基础上的理论模型v 4、实际液态金属结构：液态金属中存在“能量起伏”、“结构起伏”和“浓度起伏”；液-液结构转变新发现及启示1压力诱导非连续液-液结构转变的发现 异常现象（20 世纪70 年代起）：在P-T 状态图上，Cs 的熔化曲线出现两个峰，类似地Se 出现一个峰，而Ga 和Bi 则被发现其熔点随压力增加而下降，而按常规，绝大多

7、数物质的熔点随压力的增加而单调上升。 后来，人们发现Se、I 等元素的液态电阻随压力产生很大变化；液态Te 在0.9-0.5Gpa 的压力之间发生半导体-金属的特性转变；而液态Se 则在1.5Gpa 及1250K 的临界点发生明显的非金属-金属转变，这些都为压力诱导液-液结构转变提供了间接的实验根据。液-液结构转变新发现及启示2温度诱导非连续液-液结构转变的发现 合金熔体在液相线以上是否会发生温度诱导的非连续液-液结构转变？ 科学意义：温度诱导非连续液-液结构转变这一物理现象的发现，从另一角度提出了改变液体结构和性质连续变化的传统观念的必要性，而且，它对于工程技术领域比压力诱导液-液结构转变的

8、发现更具有实际意义，因为揭示了“凝固组织与熔体热历史相关” 现象的物理本质。无疑，随着研究的深入，对凝固微观机制及新材料的研究与开发必将产生深远的影响. 如“液体金属”深过冷技术产物第一节 液态金属的结构和性质v六、液态金属的性质1、液态合金的粘度、液态合金的粘度 1）液体粘度的定义及意义：粘度系数简称粘度（动力学粘度）液体粘度的定义及意义：粘度系数简称粘度（动力学粘度），是根据牛顿（），是根据牛顿（Sir Isacc Newton）提出的数学关系式来定义）提出的数学关系式来定义的；用的；用表示平行于表示平行于X 方向作用于液体表面的方向作用于液体表面的X-Z 面外加剪切应力，面外加剪切应力，

9、VX液体在液体在X 方向的运动速度，方向的运动速度，dVX/dy表示沿表示沿Y 方向的速度梯度，方向的速度梯度，那么液体流动的速度梯度那么液体流动的速度梯度dVX/dy 与剪切应力与剪切应力 成正比。如果液体成正比。如果液体符合牛顿定律，则为牛顿液体。通常条件下，液态金属被视为牛顿符合牛顿定律，则为牛顿液体。通常条件下，液态金属被视为牛顿液体。液体。 粘度的实质是反映原子间结合力（范德华力）强弱。粘度的实质是反映原子间结合力（范德华力）强弱。2）影响粘度的因素）影响粘度的因素 影响因素影响因素1：温度：温度图1-8 液体的粘度与温度的关系 ）液态镍 ）液态钴2）影响粘度的因素）影响粘度的因素

10、影响因素影响因素2：熔点，：熔点，熔点高则粘度高； 影响因素影响因素3：夹杂物，：夹杂物，夹杂物增加液态金属的粘度3） 粘度对液态成形的影响 a）由于液态金属属于牛顿流体，因此在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。 b） 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。 例1 根据流体力学：当雷诺数Re=vd/,粘度对铸件轮廓的清晰程度将有很大影响：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。v例2 影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：

11、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）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，而金属液和熔渣中的动力学粘度 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影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： 流体力学的斯托克斯公式： 可见，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。六、液态金属的性质v2、液态金属的表面张力 （1）表面张力的

12、实质 表面张力：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。 产生原因：物体表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面密度大于气体密度，气相对它的作用力远小于液体内部作用力，使表面质点处于不平衡力场中。 表面自由能（表面能）：产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。 表面：液体或固体与气体之间界面，严格说，是指液体或固体与其蒸汽的界面。 界面：泛指两相之间的交界面。广义地说，表面张力应称界面张力。衡量表面张力的标志润湿角v物体内部原子间结合力表面内能表面自由能表面张力界面张力与润湿角；v 两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；v如图1-12 所示，就界面张力而言

13、，当达到稳定状态后图中各界面张力之间的关系为：固固-液界面张力液界面张力SL越越小，小，cos 越趋近于越趋近于1，也就是也就是 越趋近于越趋近于0，这种情况是润湿的。这种情况是润湿的。（2）影响表面张力的因素 a）温度：表面张力与随温度升高而下降； b）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响： 取决于原子间结合力的改变：向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0 减小，使表面内能降低，这样，将会使表面张力降低。 溶质元素自由电子数目：自由电子多的，由于其表面双电层的电荷密度大，从而造成对金属表面压力大，而使整个系统的表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，就是由于其自由电子较少的缘故。而A

14、l 之所以能提高Sn 的表面张力，就在于它使溶液自由电子数目增加。 溶质的原子体积：大于溶剂原子体积，由于造成原子排布的畸变而使势能增加，所以倾向于被排挤到表面，以降低整个系统的表面自由能。 c）熔点：随熔点高的物质表面张力高。（3）表面张力对材料成型过程的影响第二节 液态金属的充型能力及影响因素一、液态金属充型能力的基本概念 液态金属充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一；此外，还涉及此过程中可能产生的浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷的防止措施。 液态金属的充型能力取决于： 内因-金

15、属本身的流动性 外因-铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。通常，在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。纯金属（小两相区合金）的停止流动机理宽结晶温度区合金的停止流动机理第二节 液态金属的充型能力及影响因素二、 影响充型能力的因素 三个方面：金属性质方面的因素；铸型性质方面的因素；浇注条件方面的因素 1. 金属性质： 纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流

16、动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好。 具有宽结晶温度范围的合金：流动性不好，结晶温度范围T=TL-TS 充型能力（流动性L）（图1-21） 结晶潜热：对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，在一般的浇注条件下，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大； 此外，合金液的比热、密度越大，导热系数越小充型能力好。 合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）在充型过程后期对流动性影响较大。2、铸型性质方面的因素： 铸型的蓄热系数：b2表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。C2、 2、2 越大即蓄热系数b2 越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就

17、越短，充型能力下降。3、浇注条件方面的因素： 浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好。4、 浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度等也会影响液态金属的充型能力。第三节 液体金属的流动v液态金属充型流动的特点：v1. 流体力学：短时间、短流道流动，多局部阻力 非稳定流动v2. 传热学：流动中被冷却，温度降低，粘度增大 非稳定传热v3. 传质：流动结晶与溶质再分配；停止流动，与金属的凝固方式有关成分不均金属液态成形的型腔与充型过程第三节 液体金属流动一、自然对流（传统铸造工艺） 1、浮力流：温度差浓度差密度差浮力 对流。对流强度格拉索夫准则： 温度对流 浓

18、度对流v2、枝晶间液体流动v 达西定律v 流动速度与压力成正比第三节 液体金属的流动二、强迫流动 通过外力实现传热与传质条件控制获取相应的凝固组织，如 磁场搅拌、机械搅拌、铸型振动或旋转等。 例如：半固态流变铸造流程：第四节 金属凝固过程中的传热v 铸件温度场分析就是解决不同时刻铸型和铸件中温度场的变化，它是铸造工艺设计的基础 温度场基本概念（复习） 等温面：空间具有相同温度点的组合面。 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 温度场（稳定）：温度只是坐标的函数，不随时间而变的温度场。 不稳定温度场：温度不仅在空间上变化，也随时间变化的温度场 温度梯度（ gradT ）：对于一定温度场，沿等

19、温面或等温线法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。第四节 金属凝固过程中的传热v一、数学解析法v 优点：是物理概念及逻辑推理清楚，函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。v 缺点：需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。 三维热傅里叶热传导微分方程为： 一维传热一、数学解析法 以“半无限大”平板为例，运用傅里叶热传导微分方程求铸件及铸型的温度场分布： 半无限大平板铸件凝固过程的一维不

20、稳定温度场可以近似地认为是沿着界面的法线方向一维热传导，为简化问题，假设： （1）凝固过程的初始状态为：铸件与铸型内部为均温，铸件起始温度为浇注温度 T 10 ，铸型起始温度为环境温度或铸型预热温度 T 20 ； （2）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计； （3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放； （4）铸件热物理参数1 、c 1 、1 与铸型热物理参数2 、c 2 、 2不随温度变化； （5）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在界面处等温（Ti）。 （求解过程和结果见P22）影响铸件温度场的因素v1）金属性质：金属的热扩散率大铸件温度梯度小v 结晶潜热大铸件温度梯度小v 凝固温度

21、高铸型导热能力提高铸件温度梯度大v2）铸型性质：铸型导热能高铸件温度梯度大v3）浇注条件：过热度铸型温度铸件温度梯度小v4）铸件结构：厚度大铸件温度梯度小特殊条件下的温度场分布绝热铸型（贵金属铸造) 界面热阻为主（金属型） 厚壁金属型 水冷金属型第四节 金属凝固过程中的传热二、铸件温度场测定及动态凝固曲线（实测法)凝固动态曲线绘制第四节 金属凝固过程中的传热三、铸件的凝固方式 1、凝固区域及结构v2、铸件的凝固方式v1) 逐层凝固方式:固液两相区很窄；v2) 体积凝固方式：在凝固过程中，整个断面处于固液两相区，或固液两相区很宽；v3) 中间凝固方式：固液两相区宽度介于两者之间。v图中tc是结晶温度，T代表不同时刻温度场，t液相线到凝固体外表面温度差vtc是结晶温度范围，图1-33 a）中tc=0中间凝固方式3、凝固方式对铸件质量的影响4、影响铸件凝固方式的因素逐层凝固tc /t1温度梯度对铸件凝固方式的影响四、铸件的凝固时间v1、平方根定律 凝固层厚度与凝固时间的平方根成正比：2、铸件的模数（折算厚度）