第二篇 液态成形基础-第6章 液态金属的结构与性质中国矿业大学材料科学与工程学院金属从固态熔化为液态时的状态变化金属从固态熔化为液态时的状态变化固态原子在平衡位置振动振动频率加快，振幅增大达到新的平衡位置，晶格常数变化超过原子激活能原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴 离位原子达到某一数值加热加热加热金属由固态转变为液态体积膨胀约3% 5% ，电阻、粘度发生变化温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸6.1 液态金属的结构 6.1.1 液态金属的实验结果及分析?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1-16.1 液态金属的结构 6.1.1 液态金属的实验结果及分析 1 熔化时的体积变化 热运动金属的加热膨胀（能量角度）升温热振动加剧，E转化 为势能达新的平衡R1、R2、R3 （R0 ）平衡距离增加（膨胀 ）6.1 液态金属的结构 6.1.1 液态金属的实验结果及分析能量起伏(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 属膨胀； 体积变化甚小，固 液态原子间距差较 小表6-1。1 金属的体积变化-膨胀6.1 液态金属的结构2. 液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）（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6.1 液态金属的结构热容：使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。热容变化不大，液体中质点热运动特点和固体接近表6-2；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键进一步破坏，配位数的变化，与气化潜热的比较；熔化熵：熔化时，熵增，系统内部混乱度增加。2. 液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）表6-3 几种金属的熔化潜热与气化潜热3 X射线衍射分析 右图是由X射线衍射结果整理 而得的原子密度分布曲线。横坐标 原子球体的半径。纵坐标 表示原子密度， 其中（r）称为密度函数。700液态铝中原子密度分布线固态金属 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。 700液态铝中原子密度分布线但对于但对于液态金属液态金属而言，原而言，原 子密度分布曲线是一条呈子密度分布曲线是一条呈 波浪形的连续曲线波浪形的连续曲线。这是由于液态中的金属这是由于液态中的金属 原子是处在瞬息万变的热原子是处在瞬息万变的热 振动和热运动的状态之中振动和热运动的状态之中 ，而且原子跃迁频率很高，而且原子跃迁频率很高 ，以致没有固定的位置。，以致没有固定的位置。 表6-5 x射线衍射所得液态和固态金属结构参数因此，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。6.1 液态金属的结构 6.1.1 液态金属的实验结果及分析1 液态原子间距略大与液/固转变体积增大吻合；2 配位数略减小，导致体积增大；3 混乱度增加，熵增。6.1 液态金属的结构6.1.2 实际金属的液态结构纯金属的液态结构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”，远程无序排列 ；原子热运动激烈，“能量起伏”大，集团“游动”，时 大时小相起伏；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？） “游动”、尺寸与温度的关系。6.1 液态金属的结构杂质原子量大种类多分布不均存在方式不同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6.1.2 实际金属的液态结构6.1 液态金属的结构实际金属的液态结构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，热脆；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；仅含一种杂质元素为例:6.1.2 实际金属的液态结构6.1 液态金属的结构6.1.3 液态金属结构理论 （1）凝聚理论假设成稠密气体，通过修正状态方程，描述液态金属结 构 （2）点阵理论晶体缺陷模型微晶模型 空穴模型 位错模型 综合模型问题：假设长程有序 ； 熵的变化 （3）几何理论无规密堆硬球模型（刚球模型） （2）6.2 液态金属的物理性质1.熔点和熔化潜热2.沸点和蒸发热3.比热容4.导热性5.热膨胀和固体收缩率6.扩散系数确定蒸发损耗程度： B；热容大，释放热量大，激冷小，利于充型；热容小，激冷程度明显，影响充型；动力6.2.7 液态金属的黏度 液态金属的黏度对能否获得健全铸件有密切关系 剪切应力 vx 流动速度速度梯度黏度的物理意义：当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的 内摩擦力; 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6.2 液态金属的物理性质6.2 液态金属的物理性质粘度 系数粘滞性的本质是质点(原子)间结合力的大小l运动黏度：l运动黏度物理意义：v=/表征液体质点保持自身运动 方向的惯性大小。6.2.7 液态金属的黏度富林克尔表达式： 1 粘度的影响因素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。）总的趋势：随温度T的升高而下降d.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6.2 液态金属的物理性质6.2.7 液态金属的黏度e 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（熔点高 ，结合力强），而熔点低的共晶 成分合金其粘度较低；6.2 液态金属的物理性质2 黏度对液态成形过程的影响流态：层流和紊流；雷诺系数Re2320时，紊流6.2.7 液态金属的黏度对液态金属充型速度的影响运动黏度大，需要较大充型速度，而不至于出现紊流。紊流严 重时，容易吸气和卷渣，因此层流是人们希望的；运动黏度小，需要较小充型速度达到层流，又对薄壁铸件不利 ，容易浇不足。速度黏度对液态金属流动阻力的影响f层=32/Re， f紊=0.092/Re0.2 0. 2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，枝晶间流 速下降，出现层流。6.2 液态金属的物理性质2 黏度对液态成形过程的影响6.2.7 液态金属的黏度f层 f紊, 紊流有利于充满型腔6.2 液态金属的物理性质对液态金属对流的影响产生对流的条件：温差和浓度差浮力黏滞力对流强度-格拉晓夫准则数： C动力黏度越 大，则对流 强度越小2 黏度对液态成形过程的影响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根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Pc为：r为球形杂质半径，v为运动速度杂质匀速运动时，PcP，故可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比对液态金属净化的影响2 黏度对液态成形过程的影响6.2 液态金属的物理性质6.2.8 液态金属的表面张力1 表面张力的产生表面：液体与气体间的接触面；表面张力：接触面上产生的力。F=bW=bl=S =F表面张力 表面能 界面张力 界面能概念：6.2 液态金属的物理性质2 影响表面张力的因素：内部质点对表面质点的吸引力 化学键：温度： ，, 特殊现象Cu 、铸铁；键能越大，对表面质点的吸引力也越 大，表面张力越大 表6-6正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：6.2 液态金属的物理性质化学成分：单位表面积上吸附量的吉布斯公式：=-c/RT d/dc单位表面积上较 内部多（或少） 吸附的溶质的量d/dc0，正吸附；d/dc0：2 影响表面张力的因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6.2 液态金属的物理性质3 润湿现象cos(SG-LS)/LG能润湿； 完全润湿； 不能润湿； 完全不润湿。6.2.8 液态金属的表面张力Wetting Phenomena in Nature水面上走动的鼓虫鼓虫的足与水面的关系浮在水面的白天鹅天鹅羽根的模型(b)微观模型(a)宏观模型4 附加压力以及对铸造成形的影响通过产生附加压力6.2 液态金属的物理性质RdV dS拉普拉斯方程PR1、R2两相互垂直的平面与液气曲面相交 形成的两条弧线的曲率半径在一定温度下，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6.2 液态金属的物理性质表面张力意义表面张力对黏砂和充填最小值的影响机械黏砂的毛细管临界半径：rc=2LGcos/gh4 附加压力以及对铸造成形的影响附加压头：要克服铸型的界面张力，必须增加一个附加压头铸型孔隙大，表面张力小，润湿角小，易粘砂；金属氧化物，润湿，粘砂。6.2 液态金属的物理性质4 附加压力以及对铸造成形的影响表面张力对液态金属净化的影响上浮条件：LSLGSG不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；cos=(SG-LG)/LG气泡 黏附作业一：1试推导/(r1+r2)2画出毛细管现象图（凸液面）；3设钢液与砂型绝对不润湿，钢液的密度为7000kg/m3， 表面张力为1.5N/m，求充填厚为5mm的薄板时所需的附加压头。计算结果说明什么。4液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和附加压力有何区别？ 6.3 液态金属的充型能力 6.3.1金属液流动性与充型能力“流动性”液体金属本身的流动能力由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等 决定，与外界因素无关。 流动性测试方法：螺旋型试样流动长度。6.3 液态金属的充型能力 6.3.1金属液流动性与充型能力充型时的两种停止流动方式 （1）窄凝固范围的合金纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）（2）宽凝固范围的合金结晶温度范围宽(1)窄凝固范围的合金(2)宽凝固范围的合金充型能力的计算充型过程：液体金属的非稳定的流动过程l = v t 主要是计算流动时间t充型能力液体金属充满型腔获得完整 铸件的能力 充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条 件有关。第一类因素金属性质方面：1，c1, 1, L, , , T(结晶特点)第二类因素铸型性质方面：2，c2, 2, T型，涂料层，透气性第三类因素浇注条件方面： T浇，H(压头)，外力场第四类因素铸件结构方面： 铸件厚度，结构复杂程度(型腔)6.3 液态金属的充型能力6.3.2 充型能力的影响因素及提高措施内因 外因1 内因（1）化学成分图6-7