第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1從金屬原子熱運動出發(fā)，了解固體金屬的熔化過程，并通過熔化前后金屬某些性質(zhì)的變化，對比固、液結(jié)構(gòu)差異，分析液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點，進一步分析其主要性質(zhì)的物理本質(zhì)，以及這些性質(zhì)與工藝因素之間的關(guān)系。第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：2第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)第四節(jié)液態(tài)金屬的充型能力第五節(jié)半固態(tài)合金的流變性及半固態(tài)成形3第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化1.固體金屬的熱運動 由于同時存在著正離子之間和電子之間的庫侖力，因而原子間存在著一定的作用力之間和能量之間的平衡關(guān)系，如圖所示

2.金屬的熔化4圖1金屬原子A、B間作用力F和勢能W與原子間距R的關(guān)系圖2加熱時原子間距和原子勢能的變化5勢壘：在平衡位置兩邊，勢能升高，最大值為Q。一切物質(zhì)都在永不停息的運動中。振動的能量取決于溫度。結(jié)合能或激活能的概念原子在一個位置的停留時間：原子的相互碰撞、相互傳遞能量，造成各原子熱運動能量不均等，且相差懸殊，這種能量不均勻性稱為能量起伏。所有原子的平均能量決定于溫度：

1.固體金屬的熱運動6金屬的膨脹能量起伏(內(nèi)蒸發(fā)):空穴的產(chǎn)生

金屬被加熱，原子的能量大為增加，結(jié)果是：

①熱振動加劇，振幅增大，原子距離增加，體積膨脹②能量達到及大于Q的活化原子增多，原子跳躍頻繁，點陣內(nèi)空位數(shù)增加，晶界移動。第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化7金屬熔化（從固態(tài)金屬熔化來考察液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)）①金屬加熱時，Em增加；②金屬的熔化首先是從晶界開始；（原子排列不規(guī)則，勢能較高，不需要達到Q便能脫離束縛）③當(dāng)溫度達到熔點時，晶粒之間結(jié)合受到極大破壞，晶粒之間更容易產(chǎn)生相對運動；

晶內(nèi)晶界第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化8金屬熔化④熔化潛熱：使金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛鲃幽芰Φ囊后w，還需要繼續(xù)提供能量使原子間的結(jié)合進一步破壞；⑤與固態(tài)比較：體積變化：固→氣：體積無限膨脹；固→液：體積3～5％，原子間距1～1.5％；熔化潛熱：僅為升華熱的3～7％；第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化9CrystalMatter

StructureTypeTm(K)Vm/Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.16Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47表1-1金屬熔化時典型的體積變化Vm/VS（Vm為熔化時的體積增量）10(Hb/ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb/HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表1-2幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱(Hb)11金屬熔化因此，金屬的熔化并不是原子間結(jié)合的全部破壞，液體金屬內(nèi)原子的分布仍具有一定的規(guī)律性，其結(jié)構(gòu)類似于固態(tài)。而不是類似氣體，只是原子的熱運動加劇。第一節(jié)固體金屬的加熱與熔化121.間接法—通過比較固液態(tài)和固氣態(tài)轉(zhuǎn)變的物理性質(zhì)的變化判斷。（1）體積和熵值的變化（2）熔化潛熱和氣化潛熱2.直接法—X射線或中子線分析研究液態(tài)金屬的原子排列。液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原子的間距范圍內(nèi)，與其固態(tài)的排列方式基本一致，但由于原子間距的增大和空穴的增多，原子的配位數(shù)略有變化，熱運動增強。第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)1.純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)13141.純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)①原子間保持較強的結(jié)合能，原子的排列在較小的距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且原子間距增加不大。②原子集團的“近程有序”排列；即小范圍保持規(guī)律性。(固體是由許多晶粒組成的，液體是由原子集團組成的，集團內(nèi)部保持固體特征，集團之間受到很大破壞)③原子集團時刻在變化；④原子集團之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”；（解釋：大部分金屬熔化時電阻率增加？）⑤原子集團的尺寸、游動速度與溫度有關(guān)。“結(jié)構(gòu)起伏”“能量起伏”第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)15液態(tài)金屬是由許多“游動的原子集團”所組成，在集團內(nèi)可看作是空位等缺陷較多的固體，其原子排列和結(jié)合與原有固體相似，但存在很大的能量起伏，熱運動很強。原子集團間存在空穴。溫度越高，原子集團越小，游動越快。故液體既有很好的流動性，只要在重力場的作用下，其外形就行隨容器而變化。第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)16雜質(zhì)原子量大種類多分布不均存在方式不同2.實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)原子間結(jié)合力不同，產(chǎn)生的起伏能量起伏濃度起伏結(jié)構(gòu)起伏第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)17“能量起伏”

“結(jié)構(gòu)起伏”——液體中大量不?！坝蝿印敝木钟蛴行蛟訄F簇時聚時散、此起彼伏“濃度起伏”——同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動原子團簇之間存在著成分差異。181200℃1700℃1550℃1400℃19①A-B結(jié)合力較強：臨時不穩(wěn)定化合物如：S在Fe液中，高溫時完全溶解，低溫時析出FeS；②A-B非常強：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;③假如B-B結(jié)合力>A-A及A-B：吸附甚至分層；以僅含一種雜質(zhì)元素為例:第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)2.實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)201)合金多；2)原材料中存在多種雜質(zhì)；3)工藝上造成；實際金屬在微觀上是由成分和結(jié)構(gòu)不同的游動的原子集團、空穴和許多固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成，是一種“渾濁”液體。2.實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)211.凝聚理論：把液體看做稠密氣體，用氣體動力學(xué)理論來解釋液體金屬結(jié)構(gòu)。2.點陣?yán)碚摚涸诰w點陣中引入各種缺陷來描述液體金屬結(jié)構(gòu)。3.幾何理論：球體密集堆積。3.液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)理論第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)22第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)物理性質(zhì)：密度、粘度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴散系數(shù)等；物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、表面張力等；熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)及其它231.熔點和熔化潛熱

確定熔煉和澆鑄溫度純金屬在一定的溫度下熔化及凝固，而大部分合金（除共晶成分合金）則在一個熔化（或結(jié)晶）溫度區(qū)間。熔化溫度區(qū)間的大小取決于合金的種類和化學(xué)成分，同時也影響金屬的流動性、鑄件的結(jié)晶過程及宏觀組織，因而也影響逐漸的質(zhì)量和性能。

對大多數(shù)合金而言，熔化所吸收的熱量包括：①真正的熔化熱；②從固相線加熱到液相線所吸收的熱量。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)242.沸點和蒸發(fā)熱各種金屬的沸點差別很大。熔點和沸點無直接關(guān)系，利用沸點確定熔煉中的蒸發(fā)燒損量，蒸發(fā)熱遠高于熔化熱，間接證明液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)和氣體相差甚遠。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)金屬熔點℃沸點℃Al660.22450Zn419.5906Sn231.92270253.比熱容

比熱容小，結(jié)晶時鑄件斷面溫差大，容易出現(xiàn)集中縮孔。4.導(dǎo)熱性

導(dǎo)熱性好，冷卻速度快，金屬斷面溫度梯度小，熱應(yīng)力小。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)265.熱膨脹和凝固收縮

絕大多數(shù)金屬熔化后體積增大，密度減??；凝固后體積變小，密度增大。液態(tài)金屬比固態(tài)金屬具有更大的熱膨脹率，這主要是由于液態(tài)金屬內(nèi)部的熱運動使空位和空穴增加。固態(tài)晶體中空位數(shù)大約為10-3～10-6，隨溫度上升，空穴數(shù)不斷增加，當(dāng)金屬熔化時空位和空穴數(shù)顯著增加，液態(tài)體積也明顯膨脹。但也有例外：Bi、Si等。合金的凝固收縮往往和合金的種類、成分及其中是否存在氣體有關(guān)。6.擴散系數(shù)

液態(tài)時空位數(shù)大大增加，大約10個原子中就有一個空位，因此擴散速度大為加快，液態(tài)中擴散速度比固態(tài)晶體中大102～105倍。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)277.液態(tài)金屬的粘度粘滯性：對金屬的流動特性、充型、金屬中氣體和夾雜的上浮、補縮有明顯影響。粘度:液體在層流運動的情況下，各液層間有摩擦阻力，稱為液體的內(nèi)摩擦，妨礙液體的流動。此種內(nèi)摩擦阻力是液態(tài)金屬的物理特性之一，稱為粘度。金屬的流動性就是粘度的倒數(shù)。粘度是由液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)決定的，而結(jié)構(gòu)又與溫度、壓力、雜質(zhì)含量有關(guān)。牛頓流體:動力黏度物理意義:當(dāng)速度梯度為1時,相鄰液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力;η=F/(Sdv/dx)第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)28粘度系數(shù)η＝(2τ0kTeQ/kT)/δ3粘滯性的本質(zhì)是質(zhì)點(原子)間結(jié)合力的大小運動粘度：運動粘度物理意義：V=η/ρ表征液體質(zhì)點保持自身運動方向的慣性大小。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度29影響粘度的因素：①溫度T小，指數(shù)項比乘數(shù)項的影響大，T,ηT高，乘數(shù)項將起主要作用，T,η實際液態(tài)金屬過熱度不高時，系數(shù)的變化是次要，故可認為液態(tài)金屬的粘度因溫度升高而降低。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度粘度系數(shù)η＝(2τ0kTeQ/kT)/δ330②化學(xué)成分粘度本質(zhì)原子間的結(jié)合力（與熔點有共性）狀態(tài)圖難熔化合物的粘度較高，而熔點低的共晶成分合金其粘度較低；影響粘度的因素：7.液態(tài)金屬的粘度第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)31影響粘度的因素：7.液態(tài)金屬的粘度第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)32第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度影響粘度的因素：隨碳含量增加，溶液的粘度下降且在亞共晶成分前熔點也隨之下降。當(dāng)溫度一定時，隨碳含量增加，過熱度增加，粘度下降。33第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度黏度在材料成形中的作用和意義:①黏度對液態(tài)金屬充型速度的影響流體的流動狀態(tài)由雷諾數(shù)Re來決定，當(dāng)Re>2320時，流體以紊流方式流動。34②粘度對流動阻力的影響實際應(yīng)用：一般，液態(tài)金屬在澆道和型腔中的流動都為紊流，只在腔的細薄部位，或在充型后期，流速下降，才出現(xiàn)層流。紊流的流動阻力要比層流阻力小，有利于充型。第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度黏度在材料成形中的作用和意義:35粘度在材料成形中的作用和意義:③對液態(tài)金屬對流的影響產(chǎn)生對流的條件：溫差和濃度差→浮力→粘滯力

對流強度：格拉曉夫數(shù)ＧrＴ＝ｇβＴL３△Ｔ／η２Ｇrｃ＝ｇβｃL３

△C／η２動力黏度越大，則對流強度越小第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的粘度液體對流對結(jié)晶組織、溶質(zhì)分布、偏析和雜質(zhì)的聚合沉浮有重要影響。βＴ、βｃ分別為由溫差和濃度差引起的金屬液體積膨脹L水平方向上熱端到冷端距離的一半寬度。36黏度在材料成形中的作用和意義:④對液態(tài)金屬凈化的影響斯托克斯公式：v＝２g(ρ液-ρ雜)r２/9η僅當(dāng)ρ雜≤ρ液，夾雜才能上浮，η越大，夾雜及氣泡越難以排除第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)7.液態(tài)金屬的黏度37課堂作業(yè)1.鋼液中的MnO，當(dāng)鋼液為1550℃時，η=0.0049N?s/m2。ρ液=7000kg/m3，ρ雜=5400kg/m3，對于r=0.0001m的球形雜質(zhì)，其上浮速度為多少？2.鋁液中的Al2O3，當(dāng)鋁液為780℃時，η=0.00106N?s/m2。ρ液=2400kg/m3，ρ雜=4000kg/m3，對于r=10-6m的球形雜質(zhì)，其下沉速度為多少？38①表面張力的本質(zhì)概念：表面，表面張力，表面自由能，界面△W=σ△Ａ=

△F表面張力第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)8.液態(tài)金屬的表面張力39薄膜寬度為b，受一個繃緊力F，則

F=σbσ為表面張力系數(shù)，或表面張力（N/m）

物理意義：薄膜單位長度上所受的繃緊力。

由于力F的作用，薄膜被拉長Δl

，則F對薄膜所做的功ΔW為

ΔW=FΔl=σbΔl=σΔS做功使得薄膜能量增加ΔE，因此ΔE=ΔW=σΔS則σ=ΔE/ΔS故表面張力是單位面積上的能量，即表面能。①表面張力的本質(zhì)8.液態(tài)金屬的表面張力40②表面張力引起的附加壓力附加壓力：△Ｐ＝Ｐ１－Ｐｇ圖２－７8.液態(tài)金屬的表面張力41②表面張力引起的附加壓力附加壓力：通用計算公式（課后作業(yè)）方向：△P△P8.液態(tài)金屬的表面張力r1和r2是液體曲面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑42③影響表面張力的因素B.溫度：Ｔ，σ

,特殊現(xiàn)象（銅和鑄鐵）；

T增大，液體質(zhì)點距離增加，彼此作用力下降，表面張力減小A.化學(xué)鍵的影響：金屬鍵>離子鍵>范德華力8.液態(tài)金屬的表面張力43正吸附和負吸附；表面活性物質(zhì)和非表面活性物質(zhì)：③影響表面張力的因素C.溶質(zhì)元素：單位表面積上吸附量的吉布斯公式：單位表面積上較內(nèi)部多（或少）吸附的溶質(zhì)的量8.液態(tài)金屬的表面張力44458.液態(tài)金屬的表面張力1)內(nèi)聚功和附著功由外力克服原液柱本身之內(nèi)聚力而做的功，稱為內(nèi)聚功由外力克服原液柱和固體柱之間的附著力而做的功，稱為附著功468.液態(tài)金屬的表面張力47潤濕角：cosθ＝(σSG-σLS)/σLG能潤濕；完全潤濕；不能潤濕；完全不潤濕。8.液態(tài)金屬的表面張力48表面張力引起毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象：具有細微縫隙的固體與液體接觸時，液體沿縫隙上升或下降的現(xiàn)象；圖２－９△Ｐ＝2σ/r＝ρgh∴ｈ＝2σcosθ/ρgr1在一定溫度下，毛細管的半徑ｒ１愈小，液體對管壁的潤濕性愈好，液體上升越高；液體不潤濕，則形成凸液面，液面下降8.液態(tài)金屬的表面張力49④表面張力意義表面張力對黏砂和充填最小值的影響機械黏砂的毛細管臨界半徑ｒｃ：rc=2σLGcosθ/ρgh表面張力對液態(tài)金屬凈化的影響上浮條件：σLS＋σLG－σSG＞０不潤濕：夾雜會自動黏附到氣泡上；cosθ=(σSG-σLG)/σLG氣泡黏附8.液態(tài)金屬的表面張力50④表面張力意義表面張力對液態(tài)金屬凈化的影響溶劑精煉法：ＷＡ＝σML＋σSL－σMS＞０ＷＡ愈大，對溶劑夾雜越有利ＷＡ＝σＬＧ＋σＭＧ－σＭＬＷＡ愈小，溶劑越易與熔體分離；溶劑與熔體分離：選擇熔劑盡量使其與合金的界面張力盡量大，而本身的界面張力盡量小。8.液態(tài)金屬的表面張力51作業(yè)一：1.試推導(dǎo)2.畫出毛細管現(xiàn)象圖（凸液面）；3.液態(tài)金屬的表面張力和界面張力有何異同？表面張力和附加壓力有何區(qū)別？4.鑄件某細薄部分曲率半徑為r=1mm,表面張力為1.2N/m，當(dāng)澆鑄溫度為1380℃時，鐵水密度為7000kg/ｍ３，并假設(shè)對鑄型完全不潤濕，求附加壓頭h。

52第四節(jié)液態(tài)金屬的充型能力1、液態(tài)金屬充型能力的基本概念2、影響充型能力的因素53液態(tài)金屬充型能力液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，這是生產(chǎn)合格鑄件的最基本要求。研究充型過程中液態(tài)金屬在澆鑄系統(tǒng)中和鑄型型腔中的流動規(guī)律是設(shè)計澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；研究液態(tài)金屬在充型過程中與鑄型之間熱的、機械的和物理化學(xué)作用；在充型不利的情況下，可能產(chǎn)生的缺陷和防止措施。充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。54金屬種類鑄件最小壁厚（mm）砂型金屬型熔模鑄造殼型壓鑄灰鑄鐵3>40.4-0.80.8-1.5--鑄鋼48-100.5-1.02.5--鋁合金33-4----0.6-0.8不同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚液態(tài)金屬一般是在純液態(tài)下充滿型腔的，也有邊充型邊結(jié)晶的情況，在充型過程中，當(dāng)液態(tài)金屬中形成晶粒堵塞充型通道時，流動則停止。如果停止流動出現(xiàn)在型腔被充滿前，則會出現(xiàn)“澆不足”。55

液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因——金屬本身的流動性外因——鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。

金屬的流動性：液態(tài)金屬本身的流動能力，是金屬的鑄造性能之一，與金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量、及其物理性質(zhì)有關(guān)。金屬的流動性對補縮、防裂有很大影響。良好的流動性，能使鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔得到金屬的補縮，以及鑄件在凝固末期受阻而出現(xiàn)的熱裂得到液態(tài)金屬的充填而彌合。56合金的螺旋形流動性實驗在相同的條件下澆注各種合金的流動性試樣，以試樣的長度表示該合金的流動性，并以所測得的合金流動性表示合金的充型能力。1.澆口杯,2.低壩,3.直澆道,4.螺旋5.高壩,6.溢流道,7.全壓井5758液態(tài)金屬停止流動機理在充型過程中，當(dāng)已形成的固相阻塞充型通道時，液態(tài)金屬的流動就會停止，其機理取決于結(jié)晶區(qū)間；

Al和Al-Sn5%合金流動狀況比較合金類型Al(結(jié)晶溫度范圍小)Al-Sn5%(寬)流動長度晶粒特征晶粒大小晶粒生長方向流頭特征589.3mm柱狀晶晶粒越來越細垂直于流道有縮孔206.7mm等軸晶晶粒越來越細無方向性無縮孔、光滑、前凸59液態(tài)金屬停止流動機理與充型能力圖1-25純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度圖1-26寬結(jié)晶溫度合金停止很窄的合金停止流動機理示意圖流動機理示意圖前端析出15~20％的固相量時，流動就停止。

充型能力強60影響充型能力的因素1.金屬性質(zhì)方面的因素（流動性的高低）2.鑄型性質(zhì)方面的因素澆注條件方面的因素鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素611.金屬性質(zhì)方面的因素純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進，與尚未凝固的液體之間界面分明，固相層內(nèi)表面比較光滑，對液體的流動阻力小，合金液流動時間長，所以流動性好；(1)合金的成分62具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金，由于鑄件斷面上存在發(fā)達的樹枝晶和未凝固的液相體混雜的兩相區(qū)，越靠近液流的前端，樹枝晶越多，金屬液的粘度越大，流速下降。當(dāng)樹枝晶達到某一臨界值時，金屬液就停止流動。合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，兩相區(qū)就越寬，枝晶就越發(fā)達，流動性越差。(1)合金的成分1.金屬性質(zhì)方面的因素63例：Fe-C合金流動性與成分的關(guān)系(1)合金的成分64磷可使液相線下降，鐵水粘度下降，由于磷共晶增加，固相線下降，因此可提供流動性。可用于藝術(shù)品。冷脆硅、鎳、銅和稀土鎂提高鐵水流動性。錳、鉻降低流動性。(1)合金的成分65結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的85~90%）：對于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的潛熱越多，凝固過程進行的越慢，流動性越好，因此潛熱的影響較大，對于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，散失一部分（20%）潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)格而阻止流動，大部分結(jié)晶潛熱的作用不能發(fā)揮，對流動性影響不大。(2)結(jié)晶潛熱66(3)金屬的比熱、密度和導(dǎo)熱系數(shù)合金液的比熱、密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小,充型能力越好；一般金屬中加入合金元素，都會使導(dǎo)熱系數(shù)下降。特例：有些元素會形成初生的樹枝晶或擴大結(jié)晶溫度范圍。這些會使充型能力下降。(4)金屬液的粘度在充型過程前期（屬紊流）對流動性的影響較小，而在充型過程后期凝固中（屬層流）對流動性影響較大。67造型材料一般不被金屬潤濕，即潤濕角θ>90o。故液態(tài)金屬在鑄型細薄部分的液面是凸起的，而由表面張力產(chǎn)生一個指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對該部分的充填。所以，表面張力對薄壁鑄件、鑄件的細薄部分和棱角的成形是有影響的。型腔越細，棱角的曲率半徑越小，表面張力的影響越大，必須在正常的充型壓頭上增加一個附加壓頭h。液態(tài)金屬充填鑄型尖角處的能力除與σ有關(guān)外，還與鑄型的激冷能力有關(guān)。在激冷作用較大的鑄型中，可在合金中加入表面活性元素或采取特殊涂料，降低σ或潤濕角θ。在激冷較小或預(yù)熱的鑄型中，如果澆注終了在尖角處合金仍為液態(tài)，值澆道中的壓頭則能克服附加壓力，而獲得足夠清楚的鑄件輪廓。如果液態(tài)金屬表面上有能溶解的氧化物，則潤濕鑄型，附加壓力為負值，有助于金屬液向細薄部分填充，同時也有利于金屬液向鑄型砂粒之間的孔隙滲透，形成粘砂。(5)表面張力681.正確選擇合金的成分在不影響鑄件使用性能的情況下，可根據(jù)鑄件大小、厚薄和鑄型性質(zhì)等因素，將合金成分調(diào)整到實際共晶成分附近，或選擇結(jié)晶溫度范圍小的合金，或進行變質(zhì)處理使晶粒細化，也有利于提高充型能力。2.合理的熔煉工藝正確選擇原材料，去除金屬上的銹蝕，油污，熔劑烘干；在熔煉過程中盡量使金屬液不接觸或少接觸有害氣體，對某些合金脫氧或除氣，減少非金屬夾雜物和氣體。“高溫出爐，低溫澆注”是鑄鐵生產(chǎn)中一項成功的經(jīng)驗。高溫出爐能使一些難熔的固體質(zhì)點熔化，未熔化的質(zhì)點和氣體在澆包中鎮(zhèn)靜階段有機會上浮而使金屬凈化，從而提高金屬液的流動性。為提高液態(tài)金屬的充型能力，在金屬方面可采取以下措施：692、鑄型性質(zhì)方面的因素：（1）鑄型的蓄熱系數(shù)

b2越大，鑄型的激冷能力就越強，金屬液于其中保持液態(tài)的時間就越短，充型能力下降。金屬型（銅、鑄鐵、鑄鋼等）的蓄熱系數(shù)b2是砂型的十倍或數(shù)十倍以上，為了使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。濕砂型的b2是干砂型的2倍左右，砂型的b2與造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實度等因素有關(guān)。7071（2）鑄型的溫度預(yù)熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。例如，在金屬型中澆鑄鋁合金鑄件，將鑄型溫度由310℃提高到520℃，在相同的澆鑄溫度（760℃）下，螺旋線長度則由525mm增加到950mm。用金屬型澆注灰鑄鐵件時，鑄型的溫度不但影響充型能力，而且影響鑄件是否出現(xiàn)白口組織。在熔模鑄造中，為得到清晰的鑄件輪廓，可將鑄型焙燒到800℃以上進行澆注。2、鑄型性質(zhì)方面的因素：72（3）鑄型中的氣體鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成形成氣膜，可減小流動的摩擦阻力，而且造成一層熱阻，有利于充型。例如在濕砂中加入<6%的水和<7%的煤粉時，液態(tài)金屬的充型能力提高。2、鑄型性質(zhì)方面的因素：73743、澆注條件方面的因素

(1)澆注溫度澆注溫度越高越大，則液態(tài)金屬的充型能力越好；但溫度超過界限后，會嚴(yán)重吸氣，氧化嚴(yán)重。此外，隨著澆鑄溫度的提高，鑄件一次結(jié)晶組織粗大，容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、裂紋等缺陷。根據(jù)經(jīng)驗，一般鑄鋼的澆鑄溫度為1520~1620℃，鋁合金為680~780℃。（2）充型壓頭金屬流動方向上所受壓力越大，充型能力越好。但充型速度過快，不僅發(fā)生噴射和飛濺現(xiàn)象，還是金屬產(chǎn)生氧化和鐵豆，而且型腔中的氣體來不及排出，反壓力增加，造成“澆不足”或“冷隔”缺陷。7576（3）澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)（直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道）的復(fù)雜程度，鑄件的壁厚與復(fù)雜程度等也會影響液態(tài)金屬的充型能力。越復(fù)雜，液體流動阻力越大，在相同靜壓頭情況下，充型能力越低。3、澆注條件方面的因素7778鑄件的模數(shù)是鑄件的體積與其表面積的比值。1.折算厚度（鑄件模數(shù)）如果鑄件的體積相同，在相同的澆鑄條件下，折算厚度大的鑄件，由于它與鑄型的接觸面積相對較小，熱量散失比較慢，則充型能力較高。鑄件的壁越薄，折算厚度就越小，就越不容易被充滿。2.鑄件的復(fù)雜程度鑄件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄厚部分過度面多則型腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度增加，流動阻力大，充型就困難。4、鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素79第五節(jié)半固態(tài)合金的流變性及半固態(tài)成形半固態(tài)的概念：金屬在凝固過程中，通過強烈的攪拌或控制凝固技術(shù)，抑制樹枝晶的產(chǎn)生或者破壞樹枝晶，形成具有等軸、均勻、細小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料，這種漿料即便固相顆粒達到50~60%仍具有較好的流動性。80與普通加工方法相比，半固態(tài)成形具有許多優(yōu)點：（1）應(yīng)用范圍廣泛，凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實現(xiàn)半固態(tài)成形?？蛇m用于多種成形工藝，如鑄造、擠壓、鍛壓和焊接。（2）SSM充形平穩(wěn)，無湍流和噴濺、加工溫度低，凝固收縮小，因而鑄件尺寸精度高，極大減少了機加工量，可節(jié)約資源，同時其凝固時間短，生產(chǎn)率高。（3）半固態(tài)合金已釋放了部分結(jié)晶潛熱，因而減輕了對模具的熱沖擊，提高了其使用壽命。（4）SSM成形件表面平整光滑，鑄件內(nèi)部組織致密、內(nèi)部氣孔、偏析等缺陷少，晶粒細小，力學(xué)性能高，可接近或達到變形材料的性能。（5）應(yīng)用半固態(tài)工藝可改善制備復(fù)合材料時非金屬增強相的漂浮和偏析以及不潤濕的技術(shù)難題。（6）與固態(tài)金屬模鍛相比，SSM的流動應(yīng)力顯著降低，因此SSM模鍛成形速度更高，且可成形十分復(fù)雜的零件。81半固態(tài)攪拌樹枝晶圓形或半圓形的初晶表觀粘度減低枝晶斷裂，晶體變圓，變小1.半固態(tài)的流變性82半固態(tài)能夠流動的原因：流變性發(fā)生變化牛頓流體的流動曲線。

凡流體以切變方式流動，但其切應(yīng)力與剪切速率之間為非線性關(guān)系者均稱為非牛頓流體。

非牛頓流體流動的特征是：它不服從牛頓粘度定律，其粘度不是一個常數(shù)，隨著切應(yīng)力、切變速率的變化而變化。非牛頓流體的類型有賓漢流體、假塑性流體和脹塑性流體等，這些類型流體的流動曲線如右圖所示。

83幾種流動曲線的比較

(1)

賓漢流體

這個類型的流體也稱作賓漢塑性體，如牙膏、油料、地質(zhì)鉆探用的泥漿等。其流動曲線如圖中的D曲線。它與牛頓流體的流動曲線（圖中A