第一章液态金属的结构与性质

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1、第一章第一章 液态金属的结构液态金属的结构与性质与性质 第一节第一节 引言引言 第二节第二节 液态金属的结构液态金属的结构 第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质 第四节第四节 液态金属充型液态金属充型第一节第一节 引言引言液体的表观特征液体的表观特征pp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pp液体最显著的性质：具有流动性，pp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。pp具有自由表面-类似于固体，不同于气体pp液体可压缩性很低-类似于固体，不同于气体 一、一、 液体的分类液体的分类 按液体的构成类型，可

2、分为：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）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），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）离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）第一节第一节 固体金属的加热熔化固体金属的加热熔化 金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？ 配料、配料、 熔化熔化 和和 凝固成型凝固成型 三个阶段。三个阶段。 配料配料是确定具有某些元素的各金属炉料的是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；加入百分数； 熔炼熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的是把固态炉料熔化成具有确定成分

3、的液态金属；液态金属； 凝固凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金属材料的微观组织特征。它决定着金属材料的微观组织特征。 液相成型液相成型1.金属中的原子结合金属中的原子结合 R，F 0R R0 ，F0（引力） 靠拢R R0 ，F0（斥力） 分开R R0 ，F0 平衡图图1-1膨胀原因？膨胀原因？膨胀原因？膨胀原因？热运动热运动2.金属的加热膨胀金属的加热膨胀（图1-2、1-3）升温升温热振动加剧，热振动加剧，E转化为势能达新的平衡转化为势能达新的平衡R1、R2、R3 （R0）平衡距离增加（平衡距离增加（膨胀膨胀）能量起伏能量起伏升温升温起伏加剧起伏

4、加剧部分原子越过势垒部分原子越过势垒形成空穴形成空穴空穴移动、增多空穴移动、增多膨胀膨胀原子间距增大和空穴的产生原子间距增大和空穴的产生熔点附近熔点附近晶界粘性流动晶界粘性流动接近熔点接近熔点继续吸热继续吸热（熔化潜热）（熔化潜热）晶粒瓦解，形成此起晶粒瓦解，形成此起彼伏的原子集团，游彼伏的原子集团，游离原子和空穴离原子和空穴约约3% 5%3% 5%3.金属的熔化金属的熔化从晶界开始从晶界开始晶粒相对滑动晶粒相对滑动晶粒失去原有形状晶粒失去原有形状晶粒瓦解，体积突然膨胀晶粒瓦解，体积突然膨胀温度不变，内能增加温度不变，内能增加第二节第二节 液态金属的结构液态金属的结构1.液体与固体、气体结构比

5、较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征2.热物理性质热物理性质3.液态金属结构的理论模型液态金属结构的理论模型4.实际金属的液态结构实际金属的液态结构返回目录返回目录固态金属固态金属 按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为 晶体与非晶体晶体与非晶体晶体与非晶体晶体与非晶体。晶体晶体晶体晶体凡凡凡凡是是是是原原原原子子子子在在在在空空空空间间间间呈呈呈呈规规规规则则则则的的的的周周周周期期期期性性性性重重重重复复复复排排排排列列列列的的的的物物物物质质质质称称称称为为为为晶体。晶体。晶体。晶体。单晶体：单晶体：单晶体：单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同

6、者在晶体中所有原子排列位向相同者在晶体中所有原子排列位向相同者在晶体中所有原子排列位向相同者多多多多晶晶晶晶体体体体：大大大大多多多多数数数数金金金金属属属属通通通通常常常常是是是是由由由由位位位位向向向向不不不不同同同同的的的的小小小小单单单单晶晶晶晶（晶晶晶晶粒）组成，属于粒）组成，属于粒）组成，属于粒）组成，属于多晶体多晶体多晶体多晶体。在在在在固固固固体体体体中中中中原原原原子子子子被被被被束束束束缚缚缚缚在在在在晶晶晶晶格格格格结结结结点点点点上上上上，其其其其振振振振动动动动频频频频率率率率约约约约为为为为1010101013131313 次次次次/s/s/s/s。1 1. .液体

7、与固体、气体结构比较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征液态金属？液态金属？ 液态金属中的原子和固态时一样，均不能自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由运动，围绕着平衡结点位置进行振动 但但振振动动的的能能量量和和频频率率要要比比固固态态原原子子高高几百万倍。几百万倍。液相结构？液相结构？ 固体固体可以是非晶体也可以是晶体，可以是非晶体也可以是晶体， 而而液态金属液态金属则几乎总是非晶体则几乎总是非晶体 。 液液态态金金属属在在结结构构上上更更象象固固态态而而不不是是汽汽态态，原原子子之之间间仍仍然然具具有有很很高高的的结合能。结合能。径向分布函数

8、表示径向分布函数表示在在r+dr之间的球壳之间的球壳中原子数的多少中原子数的多少 理想液体的原子平理想液体的原子平均密度分布曲线。均密度分布曲线。固态铝中原子分布的规律，固态铝中原子分布的规律，原子位置固定，在平衡位原子位置固定，在平衡位置做热运动，故球壳上原置做热运动，故球壳上原子数显示出是某一固定的子数显示出是某一固定的数值，呈现一条条的直线数值，呈现一条条的直线X射线衍射分析射线衍射分析返回目录返回目录图图1-1 7001-1 700液态铝中原液态铝中原子密度分布线子密度分布线 体积体积体积体积只膨胀只膨胀只膨胀只膨胀3 35 5， 即即即即原子间距平均原子间距平均原子间距平均原子间距平

9、均只增大只增大只增大只增大1 11.51.5 ，见，见，见，见表表表表1-11-1 熔化潜热（熔化潜热（熔化潜热（熔化潜热（HmHm）只占只占只占只占气化潜热（气化潜热（气化潜热（气化潜热（ HbHb ）的的的的3 37 7 见见见见表表表表1-21-2 这就可以认为金属由固态变成液态时，这就可以认为金属由固态变成液态时，这就可以认为金属由固态变成液态时，这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结原子结原子结原子结合键只破坏一个很小的百分数合键只破坏一个很小的百分数合键只破坏一个很小的百分数合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的只不过它的只不过它的只不过它的熔化熵熔化熵熔化熵熔化熵相对于固态时的

10、熵值有较多的增加，表明液态中相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原原原原子热运动的混乱程度子热运动的混乱程度子热运动的混乱程度子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。与固态相比有所增大。与固态相比有所增大。与固态相比有所增大。 比热容比热容比热容比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有，与固态相比虽然稍大一些，但具有，与固态相比虽然稍大一些，但具有，与固态相比虽然稍大一些，但具有相相相相同同同同的的的的数量级。数量级。数量级。数量级。 2 2. .热物理性质热物理性质（表（表1-11-1、1-21-2）返回

11、目录返回目录表表表表1 1 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热表表表表1 1 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热3.3.实际金属的液态结构实际金属的液态结构 液态金属内存在近程有序的液态金属内存在近程有序的原子集团原子集团。所。所以，液态金属结构具有如下特点：以，液态金属结构具有如下特点： l l）液态金属是由液态金属是由游动的原子团游动的原子团构成。构成。2 2）能量起伏能量起伏。3 3）结构起伏结构起伏。4 4）浓度起伏（或成分起伏）。

12、浓度起伏（或成分起伏）。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一一次结晶次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为体晶态的转变称为二次结晶二次结晶。 金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的凝团过程凝团过程，实质实质上就是上就是原子由近程有序状态过渡为长程有原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程序状态的过程，从这个意义上理解，从这个意义上理解，金属金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过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转变

13、均属于结晶过程。返回目录返回目录图图1-2 1-2 液态金属结构示意图液态金属结构示意图 实际金属的液态结构实际金属的液态结构返回目录返回目录第三节第三节 液态合金的性质液态合金的性质1. 液态合金的粘度液态合金的粘度当当相相距距1cm的的两两个个平平 行行 液液 层层 间间 产产 生生1cm/s的的相相对对速速度度时时，在在界界面面1cm2面面积上产生的摩擦力积上产生的摩擦力单位：单位：Pas。液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对

14、运在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。动时，会产生摩擦阻力。粘度系数粘度系数或粘度，表达式：或粘度，表达式：1）液态合金的粘度及其影响因素）液态合金的粘度及其影响因素粘度的粘度的物理意义：物理意义：作用于液体表面的应力大小与垂直于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该平面方向上的速度梯度的比例系数粘度的粘度的粘度的粘度的影响因素影响因素影响因素影响因素富林克尔表达式：富林克尔表达式：0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为1013 s）kB：Bolzmann常数U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒：相邻原子平衡位置的平均距离

15、T：热力学温度可以看出，影响粘度的因素有：a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高粘度的本质：原子间的结合力粘度的本质：原子间的结合力b.原子间距. 粘度随原子间距增大而减小。 c.温度T.由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而20KT /3项则与温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线增加（正比）。（显然，这种情况已是接近气态了。）总总的趋势：随温度的趋势：随温度T的升高而下降的升高而下降

16、d.合金元素和夹杂物合金元素和夹杂物表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高2 2）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义 返回目录返回目录运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流动。如浇铸系统的计算动力粘度除以密度运动粘度:动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如夹杂的上浮和凝固补缩对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡）（即除去夹杂和气泡）2 2）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对

17、液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡）（即除去夹杂和气泡）（即除去夹杂和气泡）（即除去夹杂和气泡） 夹杂和气泡上浮的动力即二者重量之差在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动根据根据stocks原理，半径为原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力以下的球形杂质的阻力Pc为：为：r为球形杂质半径，v为运动速度杂质匀速运动时，杂质匀速运动时，PcP，故故可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比2 2）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义对液态金属净化的影响对液态金属

18、净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响 返回目录返回目录 对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响层流？紊流？雷诺数！层流？紊流？雷诺数！ReD v/(2300层流，层流，2300紊流紊流)所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一般所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一般为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中，为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中，则呈现为紊流。则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。f为为流体流动时的阻力系数流体流动时的阻力系数2 2）粘度在材料成形中的意义）粘度在材

19、料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响 对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响 返回目录返回目录2 2）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义）粘度在材料成形中的意义对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响 对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响对焊缝金属合金化的影响对焊缝金属合金化的影响对焊缝金属合金化的

20、影响对焊缝金属合金化的影响对凝固过程中液态合金对流的影响对凝固过程中液态合金对流的影响对凝固过程中液态合金对流的影响对凝固过程中液态合金对流的影响 返回目录返回目录表面张力是气表面张力是气表面张力是气表面张力是气/ / / /液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关三、液态合金的性质三、液态合金的性质2. 液态合金的表面张力液态合金的表面张力A A、表面张力的实质及影响因素表面张力的实质及影响因素表面张力表面张力：液体表面内产生的平行于表面切线：液体表面内产生的平行于

21、表面切线方向且各向大小均等的张力。方向且各向大小均等的张力。产生张力的表面层厚度不超过产生张力的表面层厚度不超过1010-7-7cmcm，相当于几个原子相当于几个原子( (分子分子) )液层厚度。液层厚度。表面表面 液体或固体同空气或真空接触的面液体或固体同空气或真空接触的面表面现象？表面现象？露珠露珠产生原因产生原因？原子或分子处于原子或分子处于力的平衡状态力的平衡状态受力不均，指向受力不均，指向内部的合力内部的合力这种受力不均引起这种受力不均引起表面原子的势能比表面原子的势能比内部原子的势能高，内部原子的势能高，所以物体倾向于减所以物体倾向于减小表面积小表面积 由于液体表面层内质点受到不平

22、衡力场的作用，导致由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面能表面能表面能表面能。如。如。如。如图图图图所所所所示，设表面示，设表面示，设表面示，设表面S S S S在绷紧力在绷紧力在绷紧力在绷紧力F F F F的作用下，拉长的作用下，拉长的作用下，拉长的作用下，拉长了了了了dxdxdxdx距离距离距离距离 进一步可得进一步可得表面能：产生新表面能：产生

23、新的单位面积表面的单位面积表面时系统自由能的时系统自由能的增量增量则外力所做的功为：则外力所做的功为：表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符号相同，大小一样，单位也可以互换（如号相同，大小一样，单位也可以互换（如表面张力为表面张力为10-1N/m，则表面能为则表面能为10-1J/m2 ） ，是从不同角度描述同一表面现是从不同角度描述同一表面现象象。 由此可见，表面张力由此可见，表面张力 是表面是表面S S内垂直内垂直F F方向的单位方向的单位长度上的拉紧力；长度上的拉紧力；也是增加单位表面积也是增加单位表面积dAdA外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，称之

24、为表面能。称之为表面能。 此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力 就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。所作的功。所作的功。所作的功。 由相关热

25、力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的的的的质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡所引起的。所引起的。所引起的。所引起的。 界面张力和界面能界面张力和界面能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。界面与表面的界面与表面的差别：差别：界面泛指界面泛指两相之间的交界面两相之间的交界面 表面专指表面专指液体或固

26、体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面，确确 切的说，是指切的说，是指液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面。 引起表面张力与界面张力的原因（引起表面张力与界面张力的原因（实质实质） ？设设设设 相和相和相和相和 相均是截面相均是截面相均是截面相均是截面积为积为积为积为1cm1cm1cm1cm2 2 2 2，长，长，长，长2cm2cm2cm2cm的长方体。在的长方体。在的长方体。在的长方体。在 相和相和相和相和 相中相中相中相中点各作一垂直截面将其等分，分别新点各作一垂直截面将其等分，分别新点各作一垂直截面将其等分，分别新点各作一垂直截面将其等分，分别新增增增增2 2 2 2个

27、面积个面积个面积个面积为为为为1cm1cm1cm1cm2 2 2 2的相表的相表的相表的相表面面面面和和和和2 2 2 2个面积个面积个面积个面积为为为为1cm1cm1cm1cm2 2 2 2的的的的 相表面相表面相表面相表面。 由由 和和 两相形成两相形成 - 界面过程如图所示。界面过程如图所示。 - - 界面形成过程示意图界面形成过程示意图 为此，外力所需作的正功分别为为此，外力所需作的正功分别为W W - - 和和W W - - 。如果用如果用 表示相表示相的表面能，的表面能， 表示表示 相的表面能，相的表面能，则有：则有：W W - - =2=2 ，W W - - =2=2 然后，把然

28、后，把 和和 结合成两个具有结合成两个具有 - - 界面整体，这界面整体，这时所需作的负功为时所需作的负功为 -2W-2W - - 。因此，为形成因此，为形成2 2个个 - - 界面所作的净功界面所作的净功 W Ws s 为：为： - - 界面形成过程示意图界面形成过程示意图 由此可见，形成由此可见，形成由此可见，形成由此可见，形成 - - 界面所界面所界面所界面所作的功作的功作的功作的功WW - - 越大，越大，越大，越大，则界面能就越小。这也就是说，则界面能就越小。这也就是说，则界面能就越小。这也就是说，则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力两相间结合力越大，则界面能越小。越大，则界面能

29、越小。 形成一个形成一个 - 界面所作的净功界面所作的净功Ws，在数值上等于在数值上等于 - 界面的界面能界面的界面能 - ，即：，即： 由于由于W - =2 ，W - =2 ，代入上式，则：代入上式，则：式中式中式中式中 SG SG 固相固相固相固相/ /气相界面张力气相界面张力气相界面张力气相界面张力； LS LS 液相液相液相液相/ /固相界面张力；固相界面张力；固相界面张力；固相界面张力； LG LG 液相液相液相液相/ /气象界面张力。气象界面张力。气象界面张力。气象界面张力。 当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图 (a)所示。所示。润

30、湿角润湿角：衡量界面张力的标志衡量界面张力的标志平衡时水平分量的平衡关系为：平衡时水平分量的平衡关系为：同时与固相和气相接触同时与固相和气相接触的球冠形液相的的球冠形液相的界面张力的平衡情况界面张力的平衡情况 当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见 (b)所示。所示。2 2）SGSG 9090，液体倾向液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。于形成球状，称为液体不能润湿固体。=180=180为完全不为完全不润湿。所以润湿。所以角又称为润湿角。角又称为润湿角。1 1）SGSG LSLS时，时，coscos为正值，即为正值，即90CCB B内部内

31、部内部内部 正吸附现象；正吸附现象；正吸附现象；正吸附现象； (2) C(2) CB B表面表面表面表面CCB B内部内部内部内部 负吸附现象；负吸附现象；负吸附现象；负吸附现象； (3) C(3) CB B表面表面表面表面=C=CB B内部内部内部内部 无吸附现象。无吸附现象。无吸附现象。无吸附现象。WHY?加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后加入溶质后加入溶质后加入溶质后改变了溶液表面层质点的力场不对称改变了溶液表面层质点的力场不对称

32、改变了溶液表面层质点的力场不对称改变了溶液表面层质点的力场不对称性程度。性程度。性程度。性程度。 热热热热力力力力学学学学上上上上，系系统统总总是是向向减减少少自自由由能能方方向向进进行行液体表面的自由能总是趋向最小。液体表面的自由能总是趋向最小。液体表面的自由能总是趋向最小。液体表面的自由能总是趋向最小。 如如如如果果果果加加加加入入入入溶溶溶溶质质质质B B降降降降低低低低了了了了溶溶溶溶剂剂剂剂A A的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力，则则则则表表表表面面面面层层层层就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。就

33、会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。表面活性物质表面活性物质表面活性物质表面活性物质跑向表面跑向表面 反反反反之之之之，如如如如果果果果加加加加入入入入溶溶溶溶质质质质B B后后后后，增增增增加加加加了了了了溶溶溶溶剂剂剂剂的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力，则表面层就会排斥溶质原子则表面层就会排斥溶质原子则表面层就会排斥溶质原子则表面层就会排斥溶质原子B B，而形成负吸附现象而形成负吸附现象而形成负吸附现象而形成负吸附现象。表面非活性物质表面非活性物质表面非活性物质表面非活性物质跑向内部跑向内部 如如如如果果果果加加加加入入入入溶溶溶溶质质质质B B后后后后，并并并并不不不不改改改改变

34、变变变容容容容剂剂剂剂的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力，则则则则不不不不形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。 吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成： 表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度 指指指指恒恒恒恒温温温温时时时时，表表表表面面面面（界界界界面面面

35、面）张张张张力力力力随随随随表表表表面面面面浓浓浓浓度度度度的的的的变变变变化率，称为表面活性。化率，称为表面活性。化率，称为表面活性。化率，称为表面活性。 时时时时，表表表表明明明明随随随随着着着着溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度增增增增加加加加，溶溶溶溶液液液液的的的的界界界界面面面面张张张张力力力力降低降低降低降低 时时时时，表表表表明明明明随随随随着着着着溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度增增增增加加加加，溶溶溶溶液液液液的的的的界界界界面面面面张张张张力力力力降低降低降低降低 时时时时，即即即即界界界界面面面面溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度变变变变化化化化量量量量，此此此此时时时时无

36、无无无吸吸吸吸附附附附现现现现象象象象发生。发生。发生。发生。 还还还还可可可可以以以以看看看看出出出出，吸吸吸吸附附附附量量量量 与与与与表表表表面面面面活活活活性性性性 和和和和溶溶溶溶质浓度质浓度质浓度质浓度（C C）成正比，与绝对温度成正比，与绝对温度成正比，与绝对温度成正比，与绝对温度（T T）成反比。成反比。成反比。成反比。 因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。 弯曲液面产生的附加压力弯曲液面产生的附加压力弯曲液面产生的附加压力弯曲液面产生的附加压力

37、用一根玻璃管吹一个用一根玻璃管吹一个用一根玻璃管吹一个用一根玻璃管吹一个肥皂泡肥皂泡肥皂泡肥皂泡，若将管口堵住若将管口堵住若将管口堵住若将管口堵住肥皂泡可以长时间存在肥皂泡可以长时间存在肥皂泡可以长时间存在肥皂泡可以长时间存在若不堵住管若不堵住管若不堵住管若不堵住管口口口口肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液滴。肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液滴。肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液滴。肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液滴。WHY?WHY? 现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。现象说明，只要液面

38、不是平的，则其内外压力不同。 因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加压力。压力。压力。压力。要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必要使

39、气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必须有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的须有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的须有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的须有一个大小相等的压力和附加压力抗衡，所以气泡内的压力必须大于外压。压力必须大于外压。压力必须大于外压。压力必须大于外压。附加压力的大小和液面的曲率半径有关附加压力的大小和液面的曲率半径有关附加压力的大小和液面的曲率半径有关附加压力的大小和液面的曲率半径有关 B.表面张力在材料成形中的应用1.表面张力引起的曲面两侧压力差及相关作用 拉普拉斯拉普拉斯拉普拉斯拉普拉斯扬方程式扬方程式扬方程式扬方程式 当曲

40、面是球面一部分时，当曲面是球面一部分时，当曲面是球面一部分时，当曲面是球面一部分时，r1 = r2r1 = r2， 则得到附加压力与曲率半径的关系式则得到附加压力与曲率半径的关系式则得到附加压力与曲率半径的关系式则得到附加压力与曲率半径的关系式 表明表明表明表明: : 半径越小，附加压力越大，半径越小，附加压力越大，半径越小，附加压力越大，半径越小，附加压力越大，凸面液体（如液珠）凸面液体（如液珠）凸面液体（如液珠）凸面液体（如液珠）r r 0 0，附加压力附加压力附加压力附加压力pp为正；为正；为正；为正；凹面液体（如液体中的气泡）凹面液体（如液体中的气泡）凹面液体（如液体中的气泡）凹面液体

41、（如液体中的气泡）r r 0 0，附加压力附加压力附加压力附加压力pp为负；为负；为负；为负；平面液体平面液体平面液体平面液体r = r = ，附加压力附加压力附加压力附加压力p=0p=0。返回目录返回目录液态金属充填铸型液态金属充填铸型 1.4 1.4 斯托克斯斯托克斯（StokesStokes）公式公式 被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属 不同不同不同不同，HOW? 上浮至表面上浮至表面上浮至表面上浮至表面 下沉到底部。下沉到底部。下沉到底部。下沉到底部。 一般杂质密度均小于液态金

42、属，在大多数情况下要上一般杂质密度均小于液态金属，在大多数情况下要上一般杂质密度均小于液态金属，在大多数情况下要上一般杂质密度均小于液态金属，在大多数情况下要上浮至液态金属的表面。浮至液态金属的表面。浮至液态金属的表面。浮至液态金属的表面。 液态金属中杂质的上浮或下沉液态金属中杂质的上浮或下沉液态金属中杂质的上浮或下沉液态金属中杂质的上浮或下沉速度速度速度速度，由，由，由，由? ? ? ?力力力力来决定来决定来决定来决定 杂质所受液体的斥力杂质所受液体的斥力杂质所受液体的斥力杂质所受液体的斥力 杂质的运动阻力。杂质的运动阻力。杂质的运动阻力。杂质的运动阻力。 1.4 1.4 斯托克斯（斯托克斯

43、（斯托克斯（斯托克斯（StokesStokes）公式公式公式公式 斥力斥力斥力斥力的大小和杂质与液态金属之间的的大小和杂质与液态金属之间的的大小和杂质与液态金属之间的的大小和杂质与液态金属之间的密度差密度差密度差密度差有关有关有关有关 杂质的运动杂质的运动杂质的运动杂质的运动阻力阻力阻力阻力取决于取决于取决于取决于? 液态金属的粘度液态金属的粘度液态金属的粘度液态金属的粘度 杂质表面性质杂质表面性质杂质表面性质杂质表面性质 杂质的运动速度杂质的运动速度杂质的运动速度杂质的运动速度。 1.4 1.4 斯托克斯斯托克斯斯托克斯斯托克斯（StokesStokes）公式公式公式公式 杂质进入液态金属后

44、，无论是上浮还是下沉，在最初杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初非常短的时间内它以加速运动非常短的时间内它以加速运动非常短的时间内它以加速运动非常短的时间内它以加速运动; ; 以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处于平衡。于平衡。于平衡。于平衡。 设杂质的体积设杂质的体积设杂质的体积设杂质的体积为为为为QQ，液态金属的密度液态金属的密度液态金属的密度

45、液态金属的密度为为为为 1 1，杂质的密度，杂质的密度，杂质的密度，杂质的密度为为为为 2 2，则杂质受到液态金属斥力，则杂质受到液态金属斥力，则杂质受到液态金属斥力，则杂质受到液态金属斥力P P为：为：为：为： 1.4 1.4 斯托斯托斯托斯托克斯（克斯（克斯（克斯（StokesStokes）公式公式公式公式 根根根根据据据据斯斯斯斯托托托托克克克克斯斯斯斯（stokesstokes）试试试试验验验验，液液液液态态态态金金金金属属属属对对对对半半半半径径径径小小小小于于于于0.1cm0.1cm球形杂质的运动阻力球形杂质的运动阻力球形杂质的运动阻力球形杂质的运动阻力PcPc为：为：为：为： 式

46、中式中式中式中 v v 杂质的运动速度；杂质的运动速度；杂质的运动速度；杂质的运动速度； r r 杂质半径；杂质半径；杂质半径；杂质半径； 液态金属的粘度；液态金属的粘度；液态金属的粘度；液态金属的粘度； g g 重力加速度。重力加速度。重力加速度。重力加速度。 作用在杂质上的力处于处于平衡时：作用在杂质上的力处于处于平衡时：作用在杂质上的力处于处于平衡时：作用在杂质上的力处于处于平衡时： 1.4 1.4 斯托克斯（斯托克斯（斯托克斯（斯托克斯（StokesStokes）公式公式公式公式因此，杂质的匀速上浮速度为：因此，杂质的匀速上浮速度为：因此，杂质的匀速上浮速度为：因此，杂质的匀速上浮速度

47、为：对于球形杂质对于球形杂质对于球形杂质对于球形杂质: : : : 此式是著名此式是著名此式是著名此式是著名的的的的StokesStokesStokesStokes公式。公式。公式。公式。式中式中式中式中，为运动粘为运动粘为运动粘为运动粘度；度；度；度； r r为杂质尺寸；为杂质尺寸；为杂质尺寸；为杂质尺寸； 金金金金为液态金属的密度为液态金属的密度为液态金属的密度为液态金属的密度；杂杂杂杂为杂质的密度为杂质的密度为杂质的密度为杂质的密度 1.4 1.4 斯托克斯斯托克斯斯托克斯斯托克斯（StokesStokes）公式公式公式公式 杂质在液体金属内部的上浮速度影响因素：杂质在液体金属内部的上浮

48、速度影响因素： 1 1）与杂质和金属之间的）与杂质和金属之间的）与杂质和金属之间的）与杂质和金属之间的密度差密度差密度差密度差（ 1 1 2 2）成正比；）成正比；）成正比；）成正比； 2 2）与杂质）与杂质）与杂质）与杂质颗粒半径颗粒半径颗粒半径颗粒半径成正比，颗粒越大上浮速度越快；成正比，颗粒越大上浮速度越快；成正比，颗粒越大上浮速度越快；成正比，颗粒越大上浮速度越快； 3 3）与液态金属的）与液态金属的）与液态金属的）与液态金属的粘度粘度粘度粘度成反比，温度越高，粘度越低，成反比，温度越高，粘度越低，成反比，温度越高，粘度越低，成反比，温度越高，粘度越低，将有利于杂质上将有利于杂质上将有

49、利于杂质上将有利于杂质上浮。浮。浮。浮。 1.4 1.4 斯托克斯（斯托克斯（斯托克斯（斯托克斯（StokesStokes）公式公式公式公式 杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则易于去除，使液态金属得以易于去除，使液态金属得以易于去除，使液态金属得以易于去除，使液态金属得以净化净化净化净化，有利于获得，有利于获得，有利于获得，有利于获得优质铸件，否则就难以净化。优质铸件，否则就难以净化。优质铸件，否则就难以净化。优质铸件，否则就难以净化。相反的期望相反的期望? ? 金属基复合材料的液相制备过程金属基复合材料的液相制备过程 返回目录返回目录