第2章 液態(tài)金屬的結構與性質(zhì)

1、2021-8-21/73 2021-8-22/73 2021-8-23/73 2021-8-24/73 2021-8-25/73 2021-8-26/73 2021-8-27/73 相變化過程：相變化過程：液體蒸發(fā)、氣體凝結、多晶轉變。一定條件液體蒸發(fā)、氣體凝結、多晶轉變。一定條件 下相之間的轉變過程。即：相變過程。下相之間的轉變過程。即：相變過程。 相平衡：相平衡：多相系統(tǒng)中，當每一相物體生成速度與消失速度多相系統(tǒng)中，當每一相物體生成速度與消失速度 相等時。即宏觀上相間無物質(zhì)轉變移動，便是平衡狀態(tài)。相等時。即宏觀上相間無物質(zhì)轉變移動，便是平衡狀態(tài)。 2021-8-28/73 金屬的凝固：金屬

2、的凝固： 凝固：凝固：金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。（宏觀）金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。（宏觀） 結晶：結晶：從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉變?yōu)樵右?guī)則排列的晶從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉變?yōu)樵右?guī)則排列的晶 體狀態(tài)的過程。體狀態(tài)的過程。 （微觀）（微觀） H2O 的壓力溫度相圖 2021-8-29/73 固態(tài)原子在平衡位置振動固態(tài)原子在平衡位置振動 振動頻率加快，振幅增大振動頻率加快，振幅增大 達到新的平衡位置，晶格常數(shù)變化達到新的平衡位置，晶格常數(shù)變化 超過原子激活能超過原子激活能 原子離開平衡位置處的點陣，形成空穴原子離開平衡位置處的點陣，形成空穴 離位原子達到某一數(shù)值離位原子達到某一數(shù)值 加熱加熱

3、 加熱加熱 加熱加熱 金屬由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)金屬由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài) 體積膨脹體積膨脹約約3% 5% ，電阻、粘度發(fā)生變化，電阻、粘度發(fā)生變化 溫度不會升高，晶粒進一步瓦解為小的原子集團和游離原子溫度不會升高，晶粒進一步瓦解為小的原子集團和游離原子 原子脫離晶粒的表面，晶粒失去固有的形狀和尺寸原子脫離晶粒的表面，晶粒失去固有的形狀和尺寸 2021-8-210/73 一些金屬在熔化和汽化時的熱物性質(zhì)變化 2021-8-211/73 2021-8-212/73 橫坐標為觀測點至某橫坐標為觀測點至某 一任意選定的原子（參一任意選定的原子（參 考中心）的距離，對于考中心）的距離，對于 三維空間，它相當于以三

4、維空間，它相當于以 所選原子為球心的一系所選原子為球心的一系 列列球體的半徑球體的半徑。 縱坐標表示當半徑增縱坐標表示當半徑增 加加 dr 長度時，球殼內(nèi)原長度時，球殼內(nèi)原 子個數(shù)的變化值，其中子個數(shù)的變化值，其中 （r）稱為）稱為密度函數(shù)密度函數(shù)。 1 2 3 2021-8-213/73 對于實際液體的原子分布曲線，對于實際液體的原子分布曲線， 其其第一峰值第一峰值與固態(tài)時的衍射線（與固態(tài)時的衍射線（第一第一 條垂線條垂線）極為）極為接近接近，其配位數(shù)與固態(tài)，其配位數(shù)與固態(tài) 時相當。時相當。 第二峰值雖仍較明顯，但與固第二峰值雖仍較明顯，但與固 態(tài)時的峰值偏離增大，而且態(tài)時的峰值偏離增大，而

5、且隨著隨著r的的 增大，峰值與固態(tài)時的偏離也越來越增大，峰值與固態(tài)時的偏離也越來越 大大。 當它與所選原子相距較遠的距當它與所選原子相距較遠的距 離時，原子排列進入無序狀態(tài)。離時，原子排列進入無序狀態(tài)。 表明：表明：液態(tài)金屬中的原子在幾液態(tài)金屬中的原子在幾 個原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài)個原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài) 時的有序排列相近，只不過由于原子時的有序排列相近，只不過由于原子 間距的增大和空穴的增多，原子配位間距的增大和空穴的增多，原子配位 數(shù)稍有變化。數(shù)稍有變化。 1 2 3 2021-8-214/73 2021-8-215/73 2021-8-216/73 2021-8-217/

6、73 1200 1700 1550 1400 不同溫度下液態(tài)金屬結構示意圖 2021-8-218/73 2021-8-219/73 2021-8-220/73 2021-8-221/73 2021-8-222/73 液態(tài)合金有各種性質(zhì)，與材料成形過程液態(tài)合金有各種性質(zhì)，與材料成形過程 關系特別密切的主要有兩個性質(zhì)：關系特別密切的主要有兩個性質(zhì)： 一、液態(tài)金屬（合金）的一、液態(tài)金屬（合金）的粘度粘度 二、液態(tài)金屬（合金）的二、液態(tài)金屬（合金）的表面張力表面張力 2021-8-223/73 1、粘度的實質(zhì)及影響因素粘度的實質(zhì)及影響因素 當外力F（X）作用于液態(tài)表面 時，其速度分布如圖所示。層與層

7、之間存在內(nèi)摩擦力。 物理意義：當速度梯度為物理意義：當速度梯度為1時時,相鄰液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力相鄰液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力; 作用于液體表面的應力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度作用于液體表面的應力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度 的比例系數(shù)。的比例系數(shù)。 2021-8-224/73 0 3 2 e x p B B kTU t kT 富林克爾動力學粘度表達式： 2021-8-225/73 可以看出，影響粘度的因素有：可以看出，影響粘度的因素有： a.結合能U. 粘度隨結合能粘度隨結合能U呈指數(shù)關系增加呈指數(shù)關系增加。 液體的原子之間結合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度就越高。液體的

8、原子之間結合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度就越高。 粘度的本質(zhì)：原子間的結合力。粘度的本質(zhì)：原子間的結合力。 b.原子間距. 粘度隨原子間距增大而減小。粘度隨原子間距增大而減小。 c.溫度T. 總的趨勢：總的趨勢： 隨溫度隨溫度T的升高而下降。的升高而下降。 d.合金元素和夾雜物合金元素和夾雜物 表面及界面活性元素使液體粘度降低（抑制合金液冷卻過程中原子團的表面及界面活性元素使液體粘度降低（抑制合金液冷卻過程中原子團的 聚集長大），非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高。聚集長大），非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高。 受兩方面（正比的線性關系受兩方面（正比的線性關系 和負的指數(shù)關系）共同制約。和負的指數(shù)

9、關系）共同制約。 液體的粘度與溫度的關系）液態(tài)鎳液體的粘度與溫度的關系）液態(tài)鎳 ；）液態(tài)鈷；）液態(tài)鈷 虛線：計算值；實線：不同研究者實驗結果虛線：計算值；實線：不同研究者實驗結果 0 3 2 exp B B k TU t k T 2021-8-226/73 e.e.化學成分化學成分 粘度本質(zhì)粘度本質(zhì) 原子間的結合力原子間的結合力 （與熔點有共性）（與熔點有共性） 狀態(tài)圖狀態(tài)圖 難熔化合物的粘度較高（熔點難熔化合物的粘度較高（熔點 高，結合力強），而熔點低的高，結合力強），而熔點低的 共晶成分合金其粘度較低。共晶成分合金其粘度較低。 2021-8-227/73 粘度在金屬鑄造和焊接生產(chǎn)技術中均具

10、有很重要的意義。為了說粘度在金屬鑄造和焊接生產(chǎn)技術中均具有很重要的意義。為了說 明問題，先引入運動學粘度及雷諾數(shù)的概念。明問題，先引入運動學粘度及雷諾數(shù)的概念。 / ee u uDD Re 2021-8-228/73 對液態(tài)金屬凈化的影響 夾雜和氣泡上浮的動力 12 FVg即二者重度之差 在最初很短的時間內(nèi)以加速度進行運動，往后便開始勻速運動在最初很短的時間內(nèi)以加速度進行運動，往后便開始勻速運動 根據(jù)根據(jù)stocks原理，半徑為原理，半徑為0.1cm以下的球形雜質(zhì)的阻力以下的球形雜質(zhì)的阻力Fc為：為： 6 c Frv r為球形雜質(zhì)半徑，v為運動速度 雜質(zhì)勻速運動時，雜質(zhì)勻速運動時，F(xiàn)cF，故，

11、故 12 6 rvVg 32 1212 4()2() 3 69 r ggr v r 可見，夾雜和氣泡上浮的速度v與液體的粘度成反比 2021-8-229/73 對液態(tài)合金流動阻力的影響 設 為流體流動時的阻力系數(shù)，則有 當液體以層流方式流動時，阻力系數(shù)大，流動阻力大。 金屬液體的流動成形，以紊流方式流動最好，由于流動阻 力小，液態(tài)金屬能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng) 和型腔中的流動一般為紊流。但在充型的后期或狹窄的枝 晶間的補縮流和細薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流。 2021-8-230/73 對凝固過程中液態(tài)合金對流的影響 液態(tài)金屬在冷卻和凝固過程中，由于存在溫度差 和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)

12、合金對流的驅動力。 當浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，其對流強 度由無量綱的格拉曉夫準則度量，即 可見粘度越大對流強度越小。液體對流對結晶組 織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重要影響。 產(chǎn)生對流的條件：溫差和濃度差溫差和濃度差浮力浮力粘滯力粘滯力 對流強度-格拉曉夫準則數(shù)： 2021-8-231/73 粘度對成形質(zhì)量的影響 2021-8-232/73 粘度對成形質(zhì)量的影響 2021-8-233/73 粘度對成形質(zhì)量的影響 2021-8-234/73 粘度對成形質(zhì)量的影響 粘度粘度較大時，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉較大時，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉 效果；鑄件及焊縫的凝固中，夾

13、雜物和氣泡難以上浮排效果；鑄件及焊縫的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排 除，易形成夾雜或氣孔。除，易形成夾雜或氣孔。 2021-8-235/73 2021-8-236/73 液相液相 氣相氣相 原子或分子處原子或分子處 于力的平衡狀于力的平衡狀 態(tài)態(tài) 受力不均，指向內(nèi)部受力不均，指向內(nèi)部 的合力，這種受力不的合力，這種受力不 均引起均引起表面原子的勢表面原子的勢 能比內(nèi)部原子的勢能能比內(nèi)部原子的勢能 高。高。 2021-8-237/73 2021-8-238/73 取一小塊表面薄膜（見右圖）， 寬度為b，薄膜受到一 繃緊力F，則有F= b 得到： l 2021-8-239/73 E WFlblS

14、 S l在力F作用下，表面液膜拉長 ，則F所作的功為： ( 液膜拉長后增加的面積） 作的這項功成為液膜上的能量 ，有： EWS (不考慮摩擦力） 即 S E 2 /mJ 于是得到表面張力的另一個意義是：表面張力可 以看作是液膜上單位面積的能量，即表面能。 2021-8-240/73 2021-8-241/73 潤濕潤濕角是衡量界面張力的標志。角是衡量界面張力的標志。 LG LSSG cos cos LGLSSG 表面張力達到平衡時，存表面張力達到平衡時，存 在下列關系：在下列關系： 式中，式中，SG為固為固氣界面張力；氣界面張力； LS為液為液固界面張力；固界面張力； LG為為 液液氣界面張力

15、氣界面張力 90， 此時液體不能潤濕固體；此時液體不能潤濕固體；=180=180稱絕對不潤濕。潤濕角是可以測稱絕對不潤濕。潤濕角是可以測 定的。定的。 2021-8-242/73 潤濕角通常用座滴法實驗來測定，即將液體滴在光滑的固體表面上，達到 平衡后，從液滴側面記錄其形態(tài)，然后測量潤濕角。 界面的潤濕性 a) 完全潤濕 b) 潤濕 c) 不潤濕 d) 完全不潤濕 2021-8-243/73 影響金屬表面張力的因素主要有熔點、溫度和溶質(zhì)元素。影響金屬表面張力的因素主要有熔點、溫度和溶質(zhì)元素。 1) 1) 熔點熔點 表面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故原子間表面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故原子間

16、 結合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表面張力往往就大。降結合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表面張力往往就大。降 低顆粒半徑能夠降低金屬的熔點。低顆粒半徑能夠降低金屬的熔點。 2021-8-244/73 2) 2) 溫度溫度大多數(shù)金屬和合金，如大多數(shù)金屬和合金，如 AlAl、 MgMg、 ZnZn等，其等，其 表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高而表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高而使液體質(zhì)點使液體質(zhì)點 間的結合力減弱所至間的結合力減弱所至。但對于。但對于鑄鐵、碳鋼、銅及其合金鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相則相 反，即溫度升高表面張力反而增加。其原因尚不清楚。反，即溫度升高表面張力反而增加

17、。其原因尚不清楚。 3) 3) 溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素 溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分 二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素表面活性元素（削弱（削弱 原子間結合力），如鋼液和鑄鐵液中的原子間結合力），如鋼液和鑄鐵液中的S S即為表面活性元素即為表面活性元素 ，也稱，也稱正吸附元素正吸附元素。提高表面張力的元素叫。提高表面張力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素 ，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負吸附元素負吸附元素。 2021-8-245/73 金屬液的表面張力可以改變 鋁液中加入第二元素鎂液

18、中加入第二元素 2021-8-246/73 P、S、Si對鑄鐵熔 液表面張力的影響 2021-8-247/73 2021-8-248/73 2021-8-249/73 拉普拉斯方程式：拉普拉斯方程式： 當曲面是球面一部分時，當曲面是球面一部分時， r1 = r2，則得到附加壓力，則得到附加壓力 與曲率半徑的關系：與曲率半徑的關系： 表明表明:半徑越小，附加壓力越大，半徑越小，附加壓力越大， 凸面液體（如液珠），附加壓力凸面液體（如液珠），附加壓力p為正；為正； 凹面液體（如液體中的氣泡），附加壓力凹面液體（如液體中的氣泡），附加壓力p為負；為負； 平面液體平面液體r = ，附加壓力，附加壓力p=0。 ) 11 ( 21 rr p r p 2 2021-8-250/73 附加壓力引起的毛細管現(xiàn)象附加壓力引起的毛細管現(xiàn)象 hg R 2 cos R r gr h cos2 在一定溫度下，毛細管在一定溫度下，毛細管 的半徑愈小，液體對管的半徑愈小，液體對管 壁的潤濕性愈好，液體上壁的潤濕性愈好，液體上 升越高；升越高；液體不潤濕，則液體不潤濕，則 形成凸液面，液面