第1章——液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)-2014

1、了解了解圖圖 氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征1、液態(tài)液態(tài)Au的的X射線衍射圖像顯示出一慢射的衍射環(huán)，射線衍射圖像顯示出一慢射的衍射環(huán)，表明在液態(tài)表明在液態(tài)Au中存中存在一些紊亂分布的原子，造成對(duì)在一些紊亂分布的原子，造成對(duì)X射線的散射射線的散射2、固態(tài)固態(tài)Au的的X射線衍射圖像為分布規(guī)則的亮斑（點(diǎn)），射線衍射圖像為分布規(guī)則的亮斑（點(diǎn)），顯示出了與特定顯示出了與特定晶面反射相一致的衍射斑，原子排列較規(guī)則晶面反射相一致的衍射斑，原子排列較規(guī)則偶分布函數(shù)偶分布函數(shù)g (r) 的物理意義：的物理意義：距某一參考粒子距某一參考粒子r處找到另一

2、個(gè)處找到另一個(gè)粒子的幾率，換言之，表示離開(kāi)參考原子粒子的幾率，換言之，表示離開(kāi)參考原子(處于坐標(biāo)原子處于坐標(biāo)原子r = 0)距離距離為為r的位置的數(shù)密度的位置的數(shù)密度 (r) 對(duì)于平均數(shù)密度對(duì)于平均數(shù)密度 0（=N/V）的相對(duì)偏差）的相對(duì)偏差 0rg r 0,rr 1、當(dāng)當(dāng)r（距離參考原子的距離）小于原子的半徑，由于原子斥（距離參考原子的距離）小于原子的半徑，由于原子斥力，力，2、當(dāng)當(dāng)r（距離參考原子的距離）較大時(shí)，（距離參考原子的距離）較大時(shí)， 相當(dāng)于非晶態(tài)相當(dāng)于非晶態(tài)3、也就是說(shuō)，在近距離范圍內(nèi)，液態(tài)原子的排列位置與固態(tài)、也就是說(shuō)，在近距離范圍內(nèi)，液態(tài)原子的排列位置與固態(tài)相似，而在遠(yuǎn)距離范

3、圍內(nèi)就缺乏有序排列了相似，而在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)就缺乏有序排列了 =0r上式表示在上式表示在 r 和和 r+dr之間的球之間的球殼中原子數(shù)的多少。圖中帶點(diǎn)殼中原子數(shù)的多少。圖中帶點(diǎn)的紅色曲線為稍高于熔點(diǎn)時(shí)的紅色曲線為稍高于熔點(diǎn)時(shí)（白色）各種液態(tài)堿金屬的徑（白色）各種液態(tài)堿金屬的徑向分布函數(shù)變化向分布函數(shù)變化 rgr024 平均原子間距平均原子間距r：對(duì)液態(tài)，對(duì)對(duì)液態(tài)，對(duì)應(yīng)于應(yīng)于RDF第一峰的位置，第一峰的位置，r = r1表示參考原子至其周圍第一表示參考原子至其周圍第一配層各原子的平均原子間距配層各原子的平均原子間距1 mrrdrrrgN020141N1 表示參考原子周圍最近鄰表示參考原子周圍最近鄰

4、(第一殼層第一殼層)原子數(shù)（如圖）原子數(shù)（如圖） r1 表示參考原子與其周圍第表示參考原子與其周圍第一配位層各原子的平均原子一配位層各原子的平均原子間距，也表示某液體的平均間距，也表示某液體的平均原子間距原子間距 圖液體配位數(shù)圖液體配位數(shù)N1的求法的求法理想純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)理想純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu) 能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏實(shí)際純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)際純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu) 存在大量多種分布不均勻、存在方式（溶存在大量多種分布不均勻、存在方式（溶 質(zhì)或化合物）不同的雜質(zhì)原子質(zhì)或化合物）不同的雜質(zhì)原子金屬（二元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu)金屬（二元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu) 存在第二組元時(shí)，表現(xiàn)為能量起伏、存在第二組元時(shí)，表現(xiàn)為能量

5、起伏、 結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏實(shí)際金屬（多元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬（多元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu) 相當(dāng)復(fù)雜，存在著大量時(shí)聚時(shí)相當(dāng)復(fù)雜，存在著大量時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏的原子團(tuán)簇、空穴等，同時(shí)也含有各種固態(tài)、氣態(tài)散，此起彼伏的原子團(tuán)簇、空穴等，同時(shí)也含有各種固態(tài)、氣態(tài)雜質(zhì)或化合物，表現(xiàn)為三種起伏特征交替雜質(zhì)或化合物，表現(xiàn)為三種起伏特征交替能量起伏能量起伏 指液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動(dòng)的原子能量有高有低，同指液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動(dòng)的原子能量有高有低，同一原子的能量也會(huì)隨時(shí)間而不停變化，出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象一原子的能量也會(huì)隨時(shí)間而不停變化，出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏 指液態(tài)金屬中大量不停指液態(tài)金屬中大

6、量不?！坝蝿?dòng)游動(dòng)”著的原子團(tuán)簇不斷著的原子團(tuán)簇不斷分化組合，由于分化組合，由于“能量起伏能量起伏”，部分金屬原子（離子）從某個(gè)團(tuán)，部分金屬原子（離子）從某個(gè)團(tuán)簇中分化出去，同時(shí)又會(huì)有另一些原子組合到該團(tuán)簇中，這樣此簇中分化出去，同時(shí)又會(huì)有另一些原子組合到該團(tuán)簇中，這樣此起彼伏，不斷發(fā)生著漲落過(guò)程，似乎團(tuán)簇本身在起彼伏，不斷發(fā)生著漲落過(guò)程，似乎團(tuán)簇本身在“游動(dòng)游動(dòng)”一樣，一樣，團(tuán)簇團(tuán)簇的尺寸及內(nèi)部原子數(shù)量都隨時(shí)間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象的尺寸及內(nèi)部原子數(shù)量都隨時(shí)間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象濃度起伏濃度起伏 指在多組元液態(tài)金屬中，由于同種元素及不同元素指在多組元液態(tài)金屬中，由于同種元素及不同元素之間的原

7、子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起而把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成起而把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異，而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動(dòng)在不時(shí)發(fā)分差異，而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動(dòng)在不時(shí)發(fā)生著變化的現(xiàn)象生著變化的現(xiàn)象（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型RCP模型特征模型特征 以無(wú)規(guī)堆積的硬球來(lái)描述液體結(jié)構(gòu)。在無(wú)規(guī)密堆鐵球表以無(wú)規(guī)堆積的硬球來(lái)描述液體結(jié)構(gòu)。在無(wú)規(guī)密堆鐵球表面灌以油漆，固化后球與球相鄰處留下漆斑，籍以構(gòu)建以球中心為面灌以油漆，固化后球與球相

8、鄰處留下漆斑，籍以構(gòu)建以球中心為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的間隙多面體，并統(tǒng)計(jì)配位數(shù)分布及平均值。液體結(jié)構(gòu)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的間隙多面體，并統(tǒng)計(jì)配位數(shù)分布及平均值。液體結(jié)構(gòu)中存在存在五種間隙多面體模型五種間隙多面體模型四面體四面體73%八面體八面體 20%三角棱柱多面體三角棱柱多面體 3% 四方十二面體四方十二面體 3% 阿基米德反棱柱多面體阿基米德反棱柱多面體 1%（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型1、微晶模型微晶模型 液態(tài)金屬有很多微小晶體和面缺陷組成。在微晶液態(tài)金屬有很多微小晶體和面缺陷組成。在微晶體中，金屬原子或離子組成完整的晶體點(diǎn)陣，這些微晶體之間以體中，金屬原子或離子組成完整的

9、晶體點(diǎn)陣，這些微晶體之間以界面相連接界面相連接微晶的存在能很好地解釋液態(tài)金屬中的短程有序性，因而該模型微晶的存在能很好地解釋液態(tài)金屬中的短程有序性，因而該模型能很好地描述近液相線（低溫）液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)。但是，該能很好地描述近液相線（低溫）液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)。但是，該模型對(duì)高溫液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行解釋模型對(duì)高溫液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行解釋 2、空穴模型空穴模型 晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大量的孔穴，從晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大量的孔穴，從而使液態(tài)金屬微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有序性。大量孔穴的存在使液而使液態(tài)金屬微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有序性。大量孔穴的存在使液態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從而具有流

10、動(dòng)性。隨著液態(tài)金屬溫度的提態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從而具有流動(dòng)性。隨著液態(tài)金屬溫度的提高，空位的數(shù)量也不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小高，空位的數(shù)量也不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小3、位錯(cuò)模型位錯(cuò)模型 液態(tài)金屬可看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣液態(tài)金屬可看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在特定溫度以上的低溫條件下，不含位錯(cuò)（或低密度位錯(cuò)）結(jié)構(gòu)。在特定溫度以上的低溫條件下，不含位錯(cuò)（或低密度位錯(cuò)）的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而變成液體。高位錯(cuò)的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而變成液體。高位錯(cuò)密度的引入，使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)不再具有長(zhǎng)程有序性，同時(shí)密度的引入，使液態(tài)金屬的微觀

11、結(jié)構(gòu)不再具有長(zhǎng)程有序性，同時(shí)使液態(tài)金屬在外力的作用下具有流動(dòng)性，對(duì)使液態(tài)金屬在外力的作用下具有流動(dòng)性，對(duì)粘滯系數(shù)、原子擴(kuò)散粘滯系數(shù)、原子擴(kuò)散系數(shù)和晶體的生長(zhǎng)等也能進(jìn)行較好的解釋系數(shù)和晶體的生長(zhǎng)等也能進(jìn)行較好的解釋4、綜合模型綜合模型 在液態(tài)金屬中由于熱運(yùn)動(dòng)的存在，不同的部位有在液態(tài)金屬中由于熱運(yùn)動(dòng)的存在，不同的部位有著不同的運(yùn)動(dòng)方式，因此處于不同部位的原子受到力的方式大小著不同的運(yùn)動(dòng)方式，因此處于不同部位的原子受到力的方式大小也不相同，產(chǎn)生的缺陷也就不單一了，這樣也就形成了多種缺陷也不相同，產(chǎn)生的缺陷也就不單一了，這樣也就形成了多種缺陷模型的綜合現(xiàn)象模型的綜合現(xiàn)象 dydvx=5v4v3v2v

12、1vzOxy.xdvdy =-1-1式中：式中： KB Bolzmann 常數(shù)常數(shù) U 無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能（或原子擴(kuò)散勢(shì)壘）無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能（或原子擴(kuò)散勢(shì)壘） T 熱力學(xué)溫度常數(shù)熱力學(xué)溫度常數(shù) 0 原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài)金屬約為原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài)金屬約為10-13 秒）秒） 液體各原子層之間的間距液體各原子層之間的間距TkUTkBBexp203（2）粘度隨原子間距）粘度隨原子間距增大而降低，與增大而降低，與 3 成反比成反比（3） 與溫度與溫度T 的關(guān)系：受兩方面（正線性關(guān)系和負(fù)指數(shù)關(guān)的關(guān)系：受兩方面（正線性關(guān)系和負(fù)指數(shù)關(guān) 系）共同制約，但總的趨勢(shì)

13、隨溫度系）共同制約，但總的趨勢(shì)隨溫度T 而下降（見(jiàn)下圖）而下降（見(jiàn)下圖）（1）液體粘度）液體粘度 隨原子間結(jié)合能隨原子間結(jié)合能U 按指數(shù)關(guān)系增加：這可理解按指數(shù)關(guān)系增加：這可理解為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就越高粘度也就越高TkUTkBBexp203實(shí)際金屬液的原子間距實(shí)際金屬液的原子間距也非定值，溫度升高，原子熱振動(dòng)加也非定值，溫度升高，原子熱振動(dòng)加劇，原子間距隨之而增大，因此劇，原子間距隨之而增大，因此 會(huì)隨之下降會(huì)隨之下降（4）合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響（）合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響（M

14、-H模型）模型）RTHxxm212211圖圖 液體的粘度與溫度的關(guān)系）液態(tài)鎳液體的粘度與溫度的關(guān)系）液態(tài)鎳 ；）液態(tài)鈷；）液態(tài)鈷虛線：計(jì)算值；實(shí)線：不同研究者實(shí)驗(yàn)結(jié)果虛線：計(jì)算值；實(shí)線：不同研究者實(shí)驗(yàn)結(jié)果M-H模型：模型：1純?nèi)軇┑恼扯?；純?nèi)軇┑恼扯龋?溶質(zhì)的粘度；溶質(zhì)的粘度；X1、X2 分分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，R 為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)，H m 為為兩組元的混合熱兩組元的混合熱如果混合熱如果混合熱H m為負(fù)值，為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)使合金液的粘度上升合金元素的增加會(huì)使合金液的粘度上升（H m 為負(fù)值表明異類原子間結(jié)合力大于同類原子，因此摩

15、擦阻為負(fù)值表明異類原子間結(jié)合力大于同類原子，因此摩擦阻力及粘度隨之提高）力及粘度隨之提高）如果溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，則合金液的粘度將會(huì)如果溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，則合金液的粘度將會(huì)明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，這歸因于合金液中存在異類原子這歸因于合金液中存在異類原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵通常，通常，表面及界面活性元素使液體粘度降低（抑制合金液冷卻過(guò)表面及界面活性元素使液體粘度降低（抑制合金液冷卻過(guò)程中原子團(tuán)的聚集長(zhǎng)大），非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高程中原子團(tuán)的聚集長(zhǎng)大），非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高RTHxxm212211粘度在

16、金屬鑄造和焊接生產(chǎn)技術(shù)中均具有很重要的意義。為了說(shuō)粘度在金屬鑄造和焊接生產(chǎn)技術(shù)中均具有很重要的意義。為了說(shuō)明問(wèn)題，先引入運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度及雷諾數(shù)的概念明問(wèn)題，先引入運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度及雷諾數(shù)的概念/eeDDReDRfe3232層2 . 02 . 02 . 0092. 0092. 0DRfe紊DRfe3232層2 . 02 . 02 . 0092. 0092. 0DRfe紊292rgBm) 12(rRe使用條件：式流體力學(xué)的斯托克斯公單位：?jiǎn)挝唬?表面張力的單位在表面張力的單位在SI制中為牛頓制中為牛頓/米（米（N/m），但仍常用），但仍常用單位是達(dá)因單位是達(dá)因/厘米（厘米（dyn/cm）。）。1dyn/cm

17、 = 1mN/m=1mJ/m2表面層：表面層：在液體與氣體交界面，在液體與氣體交界面，厚度相當(dāng)于分子有效作用半徑厚度相當(dāng)于分子有效作用半徑R 的一層液體的一層液體。習(xí)慣上人們僅將氣。習(xí)慣上人們僅將氣-液，氣液，氣-固界面稱為固界面稱為表面表面。多相。多相體系中不同相之間存在著體系中不同相之間存在著界面界面表面張力：表面張力：平行于表面切線且各方向大小相等的宏觀張力?；蚱叫杏诒砻媲芯€且各方向大小相等的宏觀張力?；蛘哒f(shuō)促使液體表面收縮的力。者說(shuō)促使液體表面收縮的力。表面張力使液面盡可能收縮成最小表面張力使液面盡可能收縮成最小對(duì)表面張力的理解：對(duì)表面張力的理解：表面張力的方向和液面相切，并和兩部分表

18、面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。如的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。表面張力是果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。分子力的一種表現(xiàn)。發(fā)生在液體和氣體接觸時(shí)的邊界部分發(fā)生在液體和氣體接觸時(shí)的邊界部分表面張力系數(shù)：表面張力系數(shù)：表面張力常用表面張力系數(shù)表示。在數(shù)值上表表面張力常用表面張力系數(shù)表示。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長(zhǎng)度的相互牽引液體表面相鄰兩部分間單位長(zhǎng)度的相互牽引力。力。表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)

19、有關(guān)，與液面大小無(wú)關(guān)表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無(wú)關(guān) 自然界表面張力現(xiàn)象：自然界表面張力現(xiàn)象：比如，露水總是盡可能呈球型；某些昆比如，露水總是盡可能呈球型；某些昆蟲則利用表面張力漂浮在水面上（如水黽）；硬幣浮于水面等蟲則利用表面張力漂浮在水面上（如水黽）；硬幣浮于水面等 表面自由能表面自由能（表面能，（表面能，Surface energy）：）：為產(chǎn)生新的單位面積為產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量表面能及表面張力從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。表面能及表面張力從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。雖然表面張力雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，單

20、位也可與表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，單位也可互換，通常表面張力的單位為力互換，通常表面張力的單位為力/距離（如距離（如N/m、dyn/cm），表面），表面能的單位為能量能的單位為能量/面積（如面積（如J/m2、erg/cm2 等）等）表面與界面：表面與界面：表面與界面的差別在于后者是泛指兩相之間的交界表面與界面的差別在于后者是泛指兩相之間的交界面，而前者特指液體或固體與氣體之間的交界面，嚴(yán)格說(shuō)，應(yīng)該面，而前者特指液體或固體與氣體之間的交界面，嚴(yán)格說(shuō)，應(yīng)該是指液體或固體與其蒸汽的界面。是指液體或固體與其蒸汽的界面。界面張力與界面能的關(guān)系相當(dāng)界面張力與界面能的關(guān)系相當(dāng)于表面張力和

21、表面能的關(guān)系于表面張力和表面能的關(guān)系。廣義上液體或固體與氣體之間的界廣義上液體或固體與氣體之間的界面能和界面張力分別為其表面能和表面張力面能和界面張力分別為其表面能和表面張力u表面自由能與表面張力的異同表面自由能與表面張力的異同不同點(diǎn)：物理概念和意義不同，從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。不同點(diǎn)：物理概念和意義不同，從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。 表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，其表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，其單位為能量單位為能量/面積（如面積（如J/m2、erg/cm2 等）等） 表面張力通常指純物質(zhì)的表面層分子間實(shí)際存在著的（收表面張力通常指純物質(zhì)的表面層分子間

22、實(shí)際存在著的（收縮）張力，其單位為力縮）張力，其單位為力/距離（如距離（如N/m、dyn/cm）相同點(diǎn)：通?？梢杂猛环?hào)來(lái)表示表面自由能或表面張力。兩相同點(diǎn)：通?？梢杂猛环?hào)來(lái)表示表面自由能或表面張力。兩者量綱相同，數(shù)值相等。者量綱相同，數(shù)值相等。在分析處理具體問(wèn)題時(shí)，可根據(jù)需要選擇理解表面自由能和表面在分析處理具體問(wèn)題時(shí)，可根據(jù)需要選擇理解表面自由能和表面張力。張力。在用熱力學(xué)方法處理表面時(shí)，可用表面自由能表示；在作在用熱力學(xué)方法處理表面時(shí)，可用表面自由能表示；在作表面相分子的受力分析時(shí)，可用表面張力表示表面相分子的受力分析時(shí)，可用表面張力表示1）原子間的結(jié)合力）原子間的結(jié)合力物體內(nèi)部原

23、子間結(jié)合力物體內(nèi)部原子間結(jié)合力u0表面內(nèi)能表面內(nèi)能表面自由能表面自由能表表面張力面張力 原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，固體和液體的表原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，固體和液體的表 面能和表面張力也大。面能和表面張力也大。一般金屬的表面張力較非金屬和鹽大一般金屬的表面張力較非金屬和鹽大 對(duì)晶體而言，表面自由能與晶面有關(guān)，對(duì)晶體而言，表面自由能與晶面有關(guān)，若晶體表面為密排晶若晶體表面為密排晶 面面 （低指數(shù)晶面），（低指數(shù)晶面），由于密排表面原子配位數(shù)與晶體內(nèi)部的由于密排表面原子配位數(shù)與晶體內(nèi)部的 差值較小，表面內(nèi)能小，故其表面能也小。差值較小，表面內(nèi)能小，故其表面能也小。若晶體表面

24、為高若晶體表面為高 指數(shù)晶面，其表面內(nèi)能大，表面能亦大指數(shù)晶面，其表面內(nèi)能大，表面能亦大?；谏鲜鲈?，晶?；谏鲜鲈?，晶 體為維持其最穩(wěn)定狀態(tài)，其表面往往為低指數(shù)（密排）晶面體為維持其最穩(wěn)定狀態(tài)，其表面往往為低指數(shù)（密排）晶面表面張力與潤(rùn)濕角的關(guān)系表面張力與潤(rùn)濕角的關(guān)系兩種物質(zhì)接觸，兩種物質(zhì)接觸，潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕的關(guān)鍵取決于兩種物質(zhì)間的親和潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕的關(guān)鍵取決于兩種物質(zhì)間的親和力，親和力大，就潤(rùn)濕，否則，就不潤(rùn)濕力，親和力大，就潤(rùn)濕，否則，就不潤(rùn)濕。如圖所示，就界面。如圖所示，就界面張力而言，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后圖中各界面張力之間的關(guān)系為：張力而言，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后圖中各界面張力之間的關(guān)系為：固

25、固-液界面張力液界面張力LS越小，越小，cos 越趨近于越趨近于1，也就是說(shuō)，也就是說(shuō)， 越趨近越趨近于于0，這種情況是潤(rùn)濕的，這種情況是潤(rùn)濕的3）溶質(zhì)元素自由電子數(shù)目的影響）溶質(zhì)元素自由電子數(shù)目的影響表面張力雙電層理論：表面張力雙電層理論：在金屬表面分布的電子層與金屬正離子在金屬表面分布的電子層與金屬正離子之間的作用力構(gòu)成了對(duì)表面的壓力之間的作用力構(gòu)成了對(duì)表面的壓力，使金屬有縮小表面積的傾，使金屬有縮小表面積的傾向。該理論推導(dǎo)出表面張力表達(dá)式為：向。該理論推導(dǎo)出表面張力表達(dá)式為：2）溫度的影響：）溫度的影響：隨溫度升高而下降。因?yàn)樵娱g距隨溫隨溫度升高而下降。因?yàn)樵娱g距隨溫 度升高而增大度

26、升高而增大324ZeTTVkC32自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)元素自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)元素，其表面雙電層的電荷密度大，對(duì)，其表面雙電層的電荷密度大，對(duì)金屬表面的壓力也大，金屬表面的壓力也大，從而使系統(tǒng)表面張力增加從而使系統(tǒng)表面張力增加?；衔锉砻??；衔锉砻鎻埩χ暂^低，是因其自由電子較少的緣故張力之所以較低，是因其自由電子較少的緣故4）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響主要取決于原子間結(jié)合力的改變主要取決于原子間結(jié)合力的改變 向系統(tǒng)中加入削弱原子間向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元，會(huì)使結(jié)合力的組元，會(huì)使u0 減小，使表面內(nèi)能降低，這樣，將會(huì)減小，使表面

27、內(nèi)能降低，這樣，將會(huì)使表面張力降低使表面張力降低溶質(zhì)與溶劑的原子體積之差溶質(zhì)與溶劑的原子體積之差：溶質(zhì)原子大于溶劑原子溶質(zhì)原子大于溶劑原子，造成，造成原子排布的畸變而使勢(shì)能增加，傾向于被擠到表面，以降低原子排布的畸變而使勢(shì)能增加，傾向于被擠到表面，以降低系統(tǒng)能量，系統(tǒng)能量，從而使整個(gè)系統(tǒng)表面張力降低從而使整個(gè)系統(tǒng)表面張力降低。原子體積很小的。原子體積很小的合金元素，在金屬中容易進(jìn)入到熔劑的間隙使勢(shì)能增加，從合金元素，在金屬中容易進(jìn)入到熔劑的間隙使勢(shì)能增加，從而被排擠到金屬表面，成為富集在表面的表面活性物質(zhì)。由而被排擠到金屬表面，成為富集在表面的表面活性物質(zhì)。由于這些元素的金屬性很弱，自由電子很

28、少，因此，表面張力于這些元素的金屬性很弱，自由電子很少，因此，表面張力小，同樣使金屬表面張力降低小，同樣使金屬表面張力降低 S、O、Te、Se（及（及N）等元素均能明顯降低鐵液的表面張）等元素均能明顯降低鐵液的表面張 力，見(jiàn)圖力，見(jiàn)圖1-12（P26） Cr 作為合金元素加入作為合金元素加入Fe液也使表面張力大大下降，而液也使表面張力大大下降，而Ni 對(duì)對(duì) Fe液表面張力的影響較復(fù)雜，隨成分范圍而不同，見(jiàn)圖液表面張力的影響較復(fù)雜，隨成分范圍而不同，見(jiàn)圖1-13 C 和和P 對(duì)鐵液表面張力的影響較小，略有降低作用對(duì)鐵液表面張力的影響較小，略有降低作用 合金元素對(duì)鎂、鋁合金熔體表面張力的影響見(jiàn)圖合

29、金元素對(duì)鎂、鋁合金熔體表面張力的影響見(jiàn)圖1-14（P26）表面活性元素均降低熔體的表面張力表面活性元素均降低熔體的表面張力1、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差及其相關(guān)作用、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差及其相關(guān)作用表面為平面時(shí)（曲率半徑為無(wú)窮大），表面張力沒(méi)有任何作表面為平面時(shí)（曲率半徑為無(wú)窮大），表面張力沒(méi)有任何作用，但當(dāng)表面具有一定曲度時(shí)，表面張力將使表面的兩側(cè)產(chǎn)用，但當(dāng)表面具有一定曲度時(shí)，表面張力將使表面的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，該壓力差值的大小與曲率半徑成反比，曲率半徑生壓力差，該壓力差值的大小與曲率半徑成反比，曲率半徑越小，表面張力的作用越顯著。其關(guān)系式為：越小，表面張力的作用越顯著。其關(guān)系式為：

30、2111RRpR1 和和 R2為曲面上為曲面上A點(diǎn)處的任意一對(duì)共軛點(diǎn)處的任意一對(duì)共軛曲率半徑。其取法如下：過(guò)曲率半徑。其取法如下：過(guò)A作曲面的作曲面的垂線垂線l，過(guò)，過(guò)l 任意作兩個(gè)互相垂直的平面任意作兩個(gè)互相垂直的平面分別交曲面于曲線分別交曲面于曲線l1和和l2， R1和和R2即為曲即為曲線線l1和和l2在在A處的一對(duì)共軛半徑處的一對(duì)共軛半徑可見(jiàn)，可見(jiàn)，在曲率半徑很小時(shí)，表面張力會(huì)引起很大壓力差在曲率半徑很小時(shí)，表面張力會(huì)引起很大壓力差。表面。表面張力在曲面兩側(cè)引起的壓力差張力在曲面兩側(cè)引起的壓力差p，相對(duì)于平直界面而言為一附，相對(duì)于平直界面而言為一附加壓力。加壓力。在鑄造和焊接中的意義在鑄

31、造和焊接中的意義 鑄造過(guò)程為防止粘砂，鑄造過(guò)程為防止粘砂，通常要求金屬液與砂型不潤(rùn)濕通常要求金屬液與砂型不潤(rùn)濕。但毛。但毛 細(xì)管直徑細(xì)管直徑D和金屬液靜壓頭和金屬液靜壓頭H越大，越易粘砂。據(jù)越大，越易粘砂。據(jù)與與D和和H 的關(guān)系可推出是否粘砂的毛細(xì)管臨界直徑的關(guān)系可推出是否粘砂的毛細(xì)管臨界直徑DC選擇砂型粒度選擇砂型粒度在焊接和鑄造熔煉過(guò)程中，高溫下會(huì)產(chǎn)生融入到金屬液中的在焊接和鑄造熔煉過(guò)程中，高溫下會(huì)產(chǎn)生融入到金屬液中的 氣體，為加速凝固過(guò)程中氣體的逸出，表面張力起重要作用氣體，為加速凝固過(guò)程中氣體的逸出，表面張力起重要作用 CO2氣保焊熔滴過(guò)渡中易產(chǎn)生飛濺也可由表面張力引起的曲氣保焊熔滴過(guò)

32、渡中易產(chǎn)生飛濺也可由表面張力引起的曲 面兩側(cè)壓力差得到解釋。面兩側(cè)壓力差得到解釋。焊絲含碳量越高，飛濺傾向越大焊絲含碳量越高，飛濺傾向越大gHDC42、液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響 液膜理論液膜理論在凝固的后期，不同晶粒在凝固的后期，不同晶粒之間存在著液膜，由于表之間存在著液膜，由于表面張力的作用，液膜將其面張力的作用，液膜將其兩側(cè)的晶體緊緊地吸附在兩側(cè)的晶體緊緊地吸附在一起，液膜厚度越小，其一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。其中單吸附力量就越大。其中單位面積液膜的臨界拉斷應(yīng)位面積液膜的臨界拉斷應(yīng)力和表面張力、液膜厚度力和表面張力、液膜厚

33、度的關(guān)系可用液膜理論模型的關(guān)系可用液膜理論模型加以說(shuō)明加以說(shuō)明Trpf2*max3、表面張力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響表面張力對(duì)熔滴過(guò)渡的影響熔化極電弧焊，顆粒狀熔滴向熔池中過(guò)渡時(shí)，表面張力大的熔熔化極電弧焊，顆粒狀熔滴向熔池中過(guò)渡時(shí)，表面張力大的熔滴形成細(xì)頸的阻力大，致使熔滴顆粒增大，滴形成細(xì)頸的阻力大，致使熔滴顆粒增大，熔滴過(guò)渡頻率降低熔滴過(guò)渡頻率降低而導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性較差，飛濺增多而導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性較差，飛濺增多改善熔滴過(guò)渡狀態(tài)的途徑在于降低其表面張力，主要有兩措施改善熔滴過(guò)渡狀態(tài)的途徑在于降低其表面張力，主要有兩措施： 增大焊接電流，使熔滴溫度上升，表面張力降低，熔滴顆粒增大焊接電流，使熔滴溫度上升

34、，表面張力降低，熔滴顆粒 減?。娏髟龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，由熔滴過(guò)渡轉(zhuǎn)為細(xì)顆粒高速減?。娏髟龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，由熔滴過(guò)渡轉(zhuǎn)為細(xì)顆粒高速 噴射過(guò)渡）噴射過(guò)渡） 適當(dāng)增強(qiáng)電弧氣氛的氧化性可降低表面張力，細(xì)化熔滴適當(dāng)增強(qiáng)電弧氣氛的氧化性可降低表面張力，細(xì)化熔滴一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念液態(tài)金屬充型能力液態(tài)金屬充型能力(mold-filling capacity) ：液態(tài)金屬充滿鑄型：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力。是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一。鑄型的能力。是設(shè)計(jì)澆注系

35、統(tǒng)的重要依據(jù)之一。充型能力不佳充型能力不佳可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、卷入性氣孔、夾砂等缺陷可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、卷入性氣孔、夾砂等缺陷流動(dòng)性流動(dòng)性(fluidity)：液態(tài)金屬本身流動(dòng)的能力。流動(dòng)性與金屬液的液態(tài)金屬本身流動(dòng)的能力。流動(dòng)性與金屬液的成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。 充型能力與流動(dòng)性充型能力與流動(dòng)性之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：充型能力是外因（鑄型）和內(nèi)因（流動(dòng)性）的共充型能力是外因（鑄型）和內(nèi)因（流動(dòng)性）的共同結(jié)果。外因一定時(shí)，流動(dòng)性就是充型能力同結(jié)果。外因一定時(shí)，流動(dòng)性就是充型能力 影響液態(tài)金屬充型能力的因素影響液態(tài)金屬充型能力的

36、因素：內(nèi)因：內(nèi)因液態(tài)金屬本身的流動(dòng)性液態(tài)金屬本身的流動(dòng)性(流動(dòng)能力流動(dòng)能力) ；外因；外因鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等，是各鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等，是各種因素的綜合反映種因素的綜合反映影響充型能力的因素是通過(guò)影響充型能力的因素是通過(guò)2個(gè)途徑起作用的：個(gè)途徑起作用的：影響金屬與鑄影響金屬與鑄型之間的熱交換作用，從而改變金屬液的流動(dòng)時(shí)間；型之間的熱交換作用，從而改變金屬液的流動(dòng)時(shí)間；影響金屬影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液的流速液在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液的流速第一類因素第一類因素金屬性質(zhì)。金屬性質(zhì)。包括金屬密度、比熱容、熱導(dǎo)率、結(jié)包括金屬密度、比熱容、熱導(dǎo)率、結(jié)

37、 晶潛熱、粘度、表面張力、結(jié)晶特點(diǎn)等晶潛熱、粘度、表面張力、結(jié)晶特點(diǎn)等第二類因素第二類因素鑄型性質(zhì)。鑄型性質(zhì)。包括鑄型蓄熱系數(shù)、密度、溫度、比包括鑄型蓄熱系數(shù)、密度、溫度、比 熱容、熱導(dǎo)率、涂料層、發(fā)氣性和透氣性等熱容、熱導(dǎo)率、涂料層、發(fā)氣性和透氣性等第三類因素第三類因素澆注條件。澆注條件。包括金屬澆注溫度、靜壓頭、外場(chǎng)等包括金屬澆注溫度、靜壓頭、外場(chǎng)等第四類因素第四類因素鑄件結(jié)構(gòu)。鑄件結(jié)構(gòu)。包括鑄件的折算厚度及由鑄件結(jié)構(gòu)所包括鑄件的折算厚度及由鑄件結(jié)構(gòu)所 規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失等。規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失等。合金流動(dòng)性表示方法：合金流動(dòng)性表示方法：通常，在相同的條件下澆

38、注各種合金的通常，在相同的條件下澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度表示該合金的流動(dòng)性以試樣的長(zhǎng)度表示該合金的流動(dòng)性，并以所測(cè)得，并以所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。因此，的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。因此，可以認(rèn)為合金的流可以認(rèn)為合金的流動(dòng)性是在確定條件下的充型能力動(dòng)性是在確定條件下的充型能力液態(tài)金屬流動(dòng)性的測(cè)試：液態(tài)金屬流動(dòng)性的測(cè)試：如圖所示，如圖所示，螺旋形試樣。此外，還有球形，螺旋形試樣。此外，還有球形，U 形、楔形、真空試樣等形、楔形、真空試樣等螺旋形試樣優(yōu)點(diǎn)：螺旋形試樣優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、對(duì)比靈敏度高、對(duì)比形象、可供金屬液流動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的距形象、可供金屬液流動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的

39、距離，鑄型的輪廓尺寸并不太大離，鑄型的輪廓尺寸并不太大缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：金屬流線彎曲，沿途阻力損金屬流線彎曲，沿途阻力損失較大，流程越長(zhǎng)，散熱越多，故失較大，流程越長(zhǎng)，散熱越多，故金屬的流動(dòng)條件和溫度條件都在隨金屬的流動(dòng)條件和溫度條件都在隨時(shí)改變時(shí)改變灰口鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性較好；鑄鋼的流動(dòng)性較差灰口鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性較好；鑄鋼的流動(dòng)性較差合金的螺旋形流動(dòng)實(shí)驗(yàn)（合金的螺旋形流動(dòng)實(shí)驗(yàn)（spiral sample test）司母戊鼎司母戊鼎四羊方尊四羊方尊1、純金屬流動(dòng)性試樣的宏觀組織是柱狀晶，試樣的末端有縮、純金屬流動(dòng)性試樣的宏觀組織是柱狀晶，試樣的末端有縮 孔。這說(shuō)明液態(tài)金屬停止流動(dòng)時(shí)，其末端仍保

40、持有熱的金孔。這說(shuō)明液態(tài)金屬停止流動(dòng)時(shí)，其末端仍保持有熱的金 屬液。停止流動(dòng)的原因是末端之前的某個(gè)部位從型壁向中屬液。停止流動(dòng)的原因是末端之前的某個(gè)部位從型壁向中 心生長(zhǎng)的柱狀晶相接觸，金屬的流動(dòng)通道被堵塞心生長(zhǎng)的柱狀晶相接觸，金屬的流動(dòng)通道被堵塞2、Al-Sn5%合金流動(dòng)性試樣的宏觀組織是等軸晶，離入口處合金流動(dòng)性試樣的宏觀組織是等軸晶，離入口處 越遠(yuǎn)，晶粒越細(xì)，試樣前端向外突出。說(shuō)明液態(tài)金屬溫度越遠(yuǎn)，晶粒越細(xì)，試樣前端向外突出。說(shuō)明液態(tài)金屬溫度 是沿程下降的，液流前端冷卻最快，先結(jié)晶，當(dāng)晶體達(dá)到是沿程下降的，液流前端冷卻最快，先結(jié)晶，當(dāng)晶體達(dá)到 一定數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生堵塞，停

41、止流動(dòng)一定數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生堵塞，停止流動(dòng) 區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)區(qū)：先形成凝固殼再被完全熔化區(qū)：先形成凝固殼再被完全熔化區(qū)：未被完全熔化而保留下來(lái)的一部分固區(qū)：未被完全熔化而保留下來(lái)的一部分固 相區(qū)相區(qū)區(qū)：結(jié)晶區(qū)區(qū)：結(jié)晶區(qū)1、過(guò)熱量未散盡前是純液態(tài)流動(dòng)。溫度降到液相、過(guò)熱量未散盡前是純液態(tài)流動(dòng)。溫度降到液相線以下，液流中析出晶體，順流前進(jìn)并不斷長(zhǎng)大線以下，液流中析出晶體，順流前進(jìn)并不斷長(zhǎng)大2、液流前端不斷與冷的型壁接觸，冷卻最快，晶、液流前端不斷與冷的型壁接觸，冷卻最快，晶粒數(shù)量最多，使金屬液的粘度增加，流速減慢粒數(shù)量最多，使金屬液的粘度增加，流速減慢c）當(dāng)晶粒達(dá)到某一臨

42、界數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)）當(dāng)晶粒達(dá)到某一臨界數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，液流壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力時(shí)，發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，液流壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力時(shí)，發(fā)生堵塞而停止流動(dòng)生堵塞而停止流動(dòng)對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，充型能力的經(jīng)驗(yàn)公式充型能力的經(jīng)驗(yàn)公式( F 為試為試樣截面積，樣截面積， P 為試樣截面周長(zhǎng)，為試樣截面周長(zhǎng)， 為液態(tài)金屬密度，為液態(tài)金屬密度， 為為換熱系數(shù)，換熱系數(shù)，k為停止流動(dòng)時(shí)液流前端的固相量，為停止流動(dòng)時(shí)液流前端的固相量， H為結(jié)晶為結(jié)晶潛熱，潛熱，c為液態(tài)金屬比熱容，為液態(tài)金屬比熱容，Tk為合金停止流動(dòng)的溫度為合金停止流動(dòng)的溫度)可見(jiàn)：靜壓頭可見(jiàn)：靜壓頭

43、H，液態(tài)金屬密度，液態(tài)金屬密度 及比熱及比熱C，合金的結(jié)晶潛，合金的結(jié)晶潛熱熱H ，澆注溫度，澆注溫度T 充型能力（流動(dòng)長(zhǎng)度充型能力（流動(dòng)長(zhǎng)度L）換熱系數(shù)換熱系數(shù) 充型能力（流動(dòng)長(zhǎng)度充型能力（流動(dòng)長(zhǎng)度L）型澆TTTTcHkPFgHLgHLLK22四個(gè)方面：金屬性質(zhì)方面的因素；鑄型性質(zhì)方面的因四個(gè)方面：金屬性質(zhì)方面的因素；鑄型性質(zhì)方面的因素；澆注條件方面的因素和鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素素；澆注條件方面的因素和鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素 純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：在固定凝固在固定凝固 溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相 層內(nèi)表面比較光滑，對(duì)液體的流動(dòng)阻力小，合金液流動(dòng)層內(nèi)