液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第1頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六一、前言一、鑄造的概念和特點

鑄造是一種用液態(tài)金屬生產(chǎn)制品的工藝方法。將金屬熔化，成為具有良好流動性的液態(tài)，在重力場或其它力(壓力、離心力、電磁力等)作用下充滿鑄型，經(jīng)凝固和冷卻成為具有鑄型型腔形狀的制品，所鑄出的金屬制品稱為鑄件。絕大多數(shù)鑄件用作毛坯，需經(jīng)機械加工才能成為各種機器零件。但是，隨著少余量和無余量鑄造方法的發(fā)展，有許多鑄件無需機械加工即可滿足使用精度和粗極度的要求而直接應(yīng)用。如失蠟鑄造（精密鑄造）、消失模鑄造、壓力鑄造等第2頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六配料（固態(tài)金屬原料）熔煉液態(tài)金屬澆入鑄型冷卻脫模、清理合格的毛坯或鑄件（固態(tài)金屬）沖天爐感應(yīng)電爐電弧爐滿足成分、溫度等砂型金屬型消失模模殼零件材質(zhì)零件圖鑄件圖鑄造工藝設(shè)計制模、制芯鑄型準備鑄造過程流程示意圖第3頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六一、鑄造的概念和特點鑄造的特點1適應(yīng)性強能鑄造小至幾克，大至數(shù)百噸；壁厚從0.2mm至1m；長度從幾毫米至十幾米；形狀從簡單至任意復(fù)雜的鑄件。也就是說，鑄造不受尺寸大小、形狀復(fù)雜程度的限制。就金屬種類而言它適用于各種合金，如常用的鐵碳合金(鑄鐵、鑄鋼)、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金、鈦合金以及各種難熔合金等2可以利用某些合金的特性對于脆性金屬或合金，鑄造是唯一可行的加工方法。因此，可以利用某些合金的特性，如鑄鐵的切削性、振動吸收性、耐熱性、耐磨性；高錳鋼的耐磨性等，生產(chǎn)鑄件滿足使用要求。第4頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六一、鑄造的概念和特點3尺寸精度高一般情況下，鑄件比鍛件、焊接件的尺寸精確，更接近于零件的尺寸，可節(jié)約大量的金屬材料和機械加工工時。4成本低鑄件在一般機器中占40－80％的重量，而成本只占機器總成本的25－30％。成本低的原因是：1)容易實現(xiàn)機械化生產(chǎn)；2)可大量使用廢舊金屬料；3)與鍛造相比動力消耗少；4)尺寸精度高，加工余量小，節(jié)約加工工時。5、缺點（1）鑄件尺寸均一性差；（2）與壓力加工和粉末冶金相比金屬的利用率低；（3）內(nèi)在質(zhì)量比鍛件差；（4）工作環(huán)境粉塵多、溫度高、勞動強度大、生產(chǎn)效率低等第5頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六2、我國鑄造技術(shù)的發(fā)展我國鑄造技術(shù)已有5000年的悠久歷史鑄造技術(shù)的成就推動了農(nóng)業(yè)、兵器制造、天文、醫(yī)藥、音樂、藝術(shù)等方面的進步人類進化的過程分三個階段：石器時代（經(jīng)歷300萬年）、青銅器時代、鐵器時代5000年的鑄造技術(shù)史大致可分兩個大的發(fā)展階段：前2000余年以青銅鑄造為主，發(fā)展冶鑄技術(shù)；后2000余年以鑄鐵為主，推動了鑄造技術(shù)的發(fā)展第6頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場。第7頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細長的盤龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。戰(zhàn)國時代的“冰箱”——曾侯乙冰鑒第8頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1422年），中國現(xiàn)存最大的青銅鐘。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造。現(xiàn)存北京大鐘寺。第9頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城開元寺前。五代后周廣順三年（953）鑄，獅身左肋鑄有“山東李云造”五字。鐵獅身長5.3米，高5.4米，寬3米，重約40噸，采用泥范明注式整體鑄成。獅身鑄有“獅子王”字樣，背馱蓮座，前胸及臀部飾束帶，發(fā)鬈曲呈波浪形，形態(tài)威武，作奔走狀。第10頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六滄州鐵獅的歷史照片第11頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六湖北當陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三層，高16.945米,據(jù)銘文記載的鐵塔重七萬六千六百斤,當時是就地設(shè)爐分層鑄造,采用堆土法而建起來,各層之間重疊擺放,沒有焊接,整個塔身玲瓏雋秀,從上到下,自里而外全生鐵澆鑄,僅塔剎在清代以青銅重鑄.第12頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六江蘇吉鑫風(fēng)能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無冒口鑄造工藝，可耐-40℃低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達到了世界領(lǐng)先水平。第13頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六三峽700MW水輪機組配套的大型水輪機葉片在力學(xué)性能、表面質(zhì)量等方面均達世界一流水平

第14頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六3、鑄造在金屬加工領(lǐng)域中的地位

鑄造生產(chǎn)是獲得機械產(chǎn)品毛坯的主要方法之一，是機械制造工業(yè)的重要基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟中占著相當重要的位置。在許多機械中，鑄件重量占整機重量的比例很高，內(nèi)燃機80%，拖拉機65%-80%，液壓件、泵類機械50%-60%。作為我國支柱產(chǎn)業(yè)正在大力發(fā)展的汽車工業(yè)，其心臟部分——發(fā)動機的關(guān)鍵零件，如缸體、缸蓋、曲軸、缸套、活塞、進氣管、排氣管等八大件幾乎全部由鑄造成而成；冶金、礦山、電站等重大關(guān)鍵設(shè)備需求優(yōu)質(zhì)的重大型鑄件；另外國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活也需要大量鑄件，輸水（氣）管道則需要各種尺寸的高韌性球墨鑄鐵管。

第15頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六中國和美國1996～2001年鑄件產(chǎn)量（萬噸）主要發(fā)達國家1996～2001年鑄件產(chǎn)量（萬噸）2008年世界鑄件總產(chǎn)量為9345萬噸，中國為1700萬噸。其中主要鑄件生產(chǎn)國美國、日本、印度均下降。第16頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六4、發(fā)展趨勢（1）鑄造合金結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，增加高附加值產(chǎn)品

球墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵在機械產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，不斷提高高性能鋁合金鑄件、鎂合金鑄件、鎳合金鑄件，鈦合金鑄件的用量（2009年，我國有色金屬鑄件總產(chǎn)量達到335萬t，占當年鑄件總產(chǎn)量的9.5%）。（2）鑄造裝備升級

大容量、專業(yè)化、高精度、節(jié)能、環(huán)保、低噪音方向發(fā)展

（3）企業(yè)上規(guī)模、上檔次、重環(huán)保，演繹可持續(xù)發(fā)展

第17頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六中國鑄造模具之鄉(xiāng)——浙江象山

模具是象山縣的傳統(tǒng)優(yōu)勢行業(yè)，全縣有模具生產(chǎn)企業(yè)271家，從業(yè)人員8000余人。經(jīng)過30年的艱苦創(chuàng)業(yè)，已經(jīng)成為名副其實的鑄造模具的生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計，象山的鑄造模具已經(jīng)占據(jù)了全國60%以上的市場份額，年總產(chǎn)值超過11.5億元，利稅2.4億元。

中國壓鑄產(chǎn)業(yè)基地——浙江寧?？h

寧?？h有壓鑄生產(chǎn)企業(yè)有300多家，呈現(xiàn)以下四大特點：一是產(chǎn)業(yè)配套一條龍；二是機械修理有特色；三是檢測設(shè)備上檔次；四是企業(yè)管理上臺階；寧海致力將自身打造成為一流的中國壓鑄產(chǎn)業(yè)基地，計劃建設(shè)檢測中心、物流中心、技術(shù)研發(fā)中心等三大中心，形成新的現(xiàn)代化壓鑄產(chǎn)業(yè)園，到2015年，力爭壓鑄行業(yè)總產(chǎn)值達到150億元。中國鑄造之鄉(xiāng)——章丘

章丘共有鑄造企業(yè)126家，資產(chǎn)總額已超過50億元，年生產(chǎn)能力90萬t，主要生產(chǎn)重型汽車發(fā)動機和底盤、汽車排氣管、摩托車發(fā)動機殼、羅茨鼓風(fēng)機殼、鐵路配件、炊具、鑄造材料等產(chǎn)品。其中，重卡發(fā)動機鑄件產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的30%，重卡排氣管鑄件產(chǎn)量占全國的40%。經(jīng)過近幾年的優(yōu)化提升，已發(fā)展成為全省重要的鑄造基地。

耐磨鑄件生產(chǎn)、研發(fā)和出口基地——安徽寧國

寧國耐磨鑄件年生產(chǎn)能力達到80萬t，從業(yè)人員近萬人，2009年全市耐磨鑄件產(chǎn)值達到41億元，耐磨鑄件產(chǎn)量占全國份額近21%。

第18頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)東北大學(xué)秦皇島分校☆材料科學(xué)與工程系☆材料成形原理

林曉娉教授第19頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六本章主要內(nèi)容：

1、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

2、液態(tài)金屬的性質(zhì)

3、液態(tài)金屬的流動性與充型能力

人類對液態(tài)的認識比固態(tài)和氣態(tài)要膚淺得多，目前仍沒有成熟的理論模型給予液體結(jié)構(gòu)滿意的描述但人類對液體的研究從未間斷，取得了許多矚目的階段性成就，特別是近二十多年來對液體結(jié)構(gòu)的研究有了許多新的突破。第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第20頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.2金屬的加熱膨脹

物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子之間存在著相互作用力，即庫侖引力和庫侖斥力，如圖1-1所示。當原子間的距離為R0時，原子受到的引力與斥力相等，處于平衡狀態(tài)，而向左和向右運動都會受到一個指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附近做簡諧振動，維持晶體的固定結(jié)構(gòu)。

圖1-1原子間的作用力第21頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.2金屬的加熱膨脹當溫度升高時，原子振動能量增加，振動頻率和振幅增大。以雙原子模型為例，假設(shè)左邊的原子被固定不動而右邊的原子是自由的。則隨著溫度的升高，原子間距將由R0→R1→R2→R3→R4；原子的能量也不斷升高，由W0→W1→W2→W3→W4。原子間距隨溫度升高而增加，即產(chǎn)生膨脹，如圖1-2所示。膨脹只改變原子的間距，并不改變原子排列的相對位置。

圖1-2加熱時原子間距和原子勢壘的變化第22頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.3金屬的熔化若對晶體進一步加熱，達到激活能值的原子數(shù)量進一步增加。首先，在晶界處的原子跨越勢壘而處于激活狀態(tài)；當這些原子的數(shù)量達到某一數(shù)量值時，以致一些原子能脫離晶粒的表面，向鄰近的晶粒跳躍，導(dǎo)致原有晶粒失去固定的形狀與尺寸。晶粒間可出現(xiàn)相對流動，稱為晶界流動。此時，金屬處于熔化狀態(tài)。金屬被進一步加熱，其溫度不會進一步升高，而是晶粒表面原子跳躍更頻繁。晶粒進一步瓦解成小的原子集團和游離原子，形成時而集中、時而分散的原子集團、游離原子和空穴。此時，金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。金屬由固態(tài)變成液態(tài)，體積膨脹約3%~5％。而且，金屬的其它性質(zhì)，如電阻、粘性也會發(fā)生突變。金屬由固態(tài)變成液態(tài)過程中，在完全熔化前溫度維持不變，這時的溫度稱為金屬的熔點。金屬在熔點溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)時，要吸收大量的熱量，稱為熔化潛熱。實驗證明，金屬的熔化是從晶界開始的。第23頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.3金屬的熔化固態(tài)金屬的加熱熔化完全符合熱力學(xué)條件。外界提供的熱能，除因原子間距增大、體積膨脹而做功外，還增加體系的內(nèi)能。在恒壓下存在如下關(guān)系式

Eq=d(U-PV)=dU-pdv=dH(1-1)式中，Eq為外界提供的熱能；U為內(nèi)能；pdV為膨脹功；dH為熱焓的變化即熔化潛熱。在等溫等壓下，由式(1-1)得熔化時熵值的變化為

(1-2)dS值的大小描述了金屬由固態(tài)變成液態(tài)時，原子由規(guī)則排列變成非規(guī)則排列的紊亂程度。

第24頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)分析(表觀特征)下一內(nèi)容回主目錄㊣具有流動性（液體最顯著的性質(zhì)）；㊣可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀（類似于氣體，不同于固體）；㊣不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力，表明液體的原子或分子之間的結(jié)合力沒有固體中強

（類似于氣體，不同于固體）；㊣具有自由表面（類似于固體，不同于氣體）；㊣液體可壓縮性很低（類似于固體，不同于氣體）。表觀特征第25頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六液體結(jié)構(gòu)→液體性質(zhì)

物理性質(zhì)：密度、黏度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴散系數(shù)等物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱熔、等容熱熔、熔化和汽化潛熱、表面張力等熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)等液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究方法

間接方法：即通過固態(tài)→液態(tài)、固態(tài)→氣態(tài)裝變后一些物理性質(zhì)的變化判斷液態(tài)原子結(jié)合狀況；

直接方法：X射線衍射分析，研究液態(tài)金屬的原子排列情況.第26頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.1從物質(zhì)熔化過程對液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的認識對比研究㊣體積和熵值的變化

表1-1某些金屬的熵值變化。固體變氣體時體積是無限膨脹。物質(zhì)熔化時體積變化﹑熵變(及焓變)一般均不大：金屬熔化時典型的體積變化（多為增大）為3~５%左右。表明液體的原子間距接近于固體，在熔點附近其系統(tǒng)混亂度只是稍大于固體而遠小于氣體。㊣熔化潛熱和氣化潛熱表1-2為某些金屬的熔化潛熱和汽化潛熱。一般熔化潛熱只有汽氣化潛熱的3~7%,固→液原子的結(jié)合鍵破壞有限,液態(tài)和固態(tài)的結(jié)構(gòu)是相似的。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄圖第27頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.2X射線衍射對液態(tài)結(jié)構(gòu)分析

液態(tài)與固態(tài)、氣態(tài)結(jié)構(gòu)比較及衍射特征晶體：平移、對稱特征（長程有序）——原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格節(jié)點上，同時原子以某種模式在平衡位置上做熱振動。氣體：完全無序為特征——分子不停的作無規(guī)則運動。液態(tài)：？液態(tài)金（Au）的X射線衍射圖像-----顯示出一個漫射的衍射環(huán)，這說明在液態(tài)金中存在一些紊亂分布的原子，造成對X射線的散射。固態(tài)金（Au）的X射線衍射圖像------為分布規(guī)則的亮斑（點），顯示出了從特點晶面反射相一致的衍射斑。第28頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六（1）比較液態(tài)金---固態(tài)金的X射線衍射強度

由圖可知，圖中液態(tài)金有兩個明顯的強度突峰，他們和固體金的衍射強度位置一致。（2）液態(tài)金的徑向分布密度（偶分布函數(shù)）偶分布函數(shù)g(r)的物理意義：離開參考原子（處于坐標原點r=0）距離為r位置的數(shù)密度ρ（r）對于平均數(shù)密度ρ0(=N/V)的相對偏差。ρ（r）=ρ0g(r)

第29頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六當ｒ（距參考原子的距離）小于原子半徑，由于原子斥力，使ρ（γ）=0當ｒ（距參考原子的距離）較大（Ｒ→∞，ρ(r)→ρ０（液態(tài)金的容積密度，表示較大體積中，原子的平均密度，相當于非晶態(tài)）。這說明，在近距離范圍內(nèi)，液態(tài)原子的排列位置與固態(tài)相似；而在遠距離范圍內(nèi)就缺乏有序排列了。平均原子間距：對液態(tài)，對應(yīng)于g(r)第一峰的位置，r=r1表示參考原子至其周圍第一配層各原子的平均原子間距。第30頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六利用X射線衍射資料繪制圖像

得出等同配排列（等同距離）殼層中的實際原子數(shù)目----（配位數(shù)）參考原子rdr----為至所選定原子的距離。從三維空間說，相當于一所選定原子為中心的一系列球體的半徑。----密度函數(shù)

-----表示圍繞所選定原子的半徑為r,厚度為dr的一層球殼層中的原子數(shù)的多少。第一個等同配位殼層中的原子數(shù)目實際上就是液態(tài)金屬的配位數(shù)。配位數(shù)=

為一個單峰的外推邊界r1

r2第31頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六液態(tài)鋁的徑向密度

右圖為700℃時液態(tài)Al中原子分布曲線。

柱狀線表示固態(tài)Al中原子的分布規(guī)律。固態(tài)鋁中的原子位置是固定的，在平衡位置附近作熱振動，故球殼上的原子數(shù)顯示出是某一固定的數(shù)值，呈現(xiàn)一條條的柱狀線。每一條柱狀線都有明確的位置和高度值(原子數(shù))。若700℃液體鋁是理想的均勻非晶態(tài)液體，則其原子分布為拋物線。實際的700℃液體鋁的原子分布為一條有多個峰谷的曲線，是連續(xù)非間斷的。曲線的第一個峰值和第二個峰值接近固態(tài)時柱狀線的高度值(原子數(shù))，此后就接近于理想液體的原子平均密度分布曲線了。這說明原子已無固定的位置，是瞬息萬變的。液態(tài)鋁中原子的排列在幾個原子間距的范圍內(nèi)，與固態(tài)鋁原子的排列方式基本一致，而遠離選定原子后就完全不同于固態(tài)了。

圖1-3700℃時液態(tài)Al中原子分布曲線1-實際液態(tài)鋁原子分布2-理想液態(tài)鋁原子分布3-固態(tài)鋁的原子分布第32頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六固態(tài)金屬中原子的停留時間長，衍射結(jié)果將得到一條條清晰的線，每條線都有明確的位置(r)和峰值(原子數(shù))

液態(tài)金屬中除熱振動外，尚有激烈的瞬息萬變的跳躍，每個原子沒有固定的位置，故衍射結(jié)果為一條條帶，其峰值位置表示在衍射過程中相鄰原子間最大幾率的原子間距。由圖可見，液態(tài)金屬的原子分布曲線波動于平均密度曲線4r20的上下，其第一個峰值位置和固態(tài)衍射線極為相近，其配位數(shù)也相近。第二峰尚略可見，而在距選定原子不太遠的距離(～10埃)時它與平均密度線相重，即此處的原于排列已無序了。

這些結(jié)果說明：液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原于間距的范圍內(nèi)，與其固態(tài)的排列方式基本—致。但由于原子間距的增大和空穴的增多，原于的配位數(shù)略有變化(如下表)。此外還可以看到原予的熱運動大為增強。第33頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六BACK金屬液態(tài)固態(tài)溫度/℃原子間距/nm配位數(shù)原子間距/nm配位數(shù)Li4000.32410①0.3038Na100.38380.3728Al7000.29810~110.28612K700.46480.4508Zn4600.294110.265、0.2946+6②Cd3500.30680.297、0.3306+6②Sn2800.320110.302、0.3154+2②Au11000.286110.28812Bi3400.3327~8③0.309、0.3463+3②其配位數(shù)雖增大，但密度仍減小。這些原子的第一、二層近鄰原子非常相近，兩層原子都算作配位數(shù)，但以“+”號表示區(qū)別；在液態(tài)金屬中兩層合一。固態(tài)結(jié)構(gòu)較松散，熔化后密度增大。表1-3X射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)第34頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.3理想純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)由以上分析可見，金屬在熔化后，以及在熔點以上不高的溫度范圍內(nèi)，液體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有以下特點：原子間仍保持較強的結(jié)合能，因此原子的排列在較小距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且其平均原子間距增加不大。近程有序排列：在熔化時這種結(jié)合已受到部分破壞，因此其排列的規(guī)律性僅保持在較小的范圍內(nèi)，這個范圍是由十幾個到幾百個原子組成的集團。故固體是由許多晶粒組成的，液體則是由許多原子集團所組成，在原子集團內(nèi)保持固體的排列特征，而在原子集團之間的結(jié)合處則受到很大破壞。這種僅在原子集團內(nèi)的有序排列稱為“近程有序排列”。原子集團處于瞬息萬變的動態(tài)之中：由于液體中原子熱運動的能量較大，其能量起伏也大，每個原子集團內(nèi)具有較大動能的原子則能克服鄰近原子的束縛(原于間結(jié)合所造成的勢壘)，除了在集團內(nèi)產(chǎn)生很強的熱運動(產(chǎn)生空位及擴散等)外，還能成簇地脫離原有集團而加入到別的原子集團中，或組成新的原子集團。因此所有原子集團都處于瞬息萬變狀態(tài)，時而長大，時而變小，時而產(chǎn)生，時而消失，此起被落，猶如在不停頓地游動。原子集團之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”。既然原子集團是在“游動”，同樣，“空穴”也在不停地“游動”。這種“游動”不是原有的原子集團和原有的空穴在液體中各處移動，而是此處的原子集團和空穴在消失的同時，在另一地區(qū)又形成新的原子集團和新的空穴。第35頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六5.原子集團的平均尺寸、“游動”速度都與溫度有關(guān)。溫度越高，則原子集團的平均尺寸越小，“游動”速度越快。由于能量起伏，各原子集團的尺寸也是不同的。理想的純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)是由原子集團、游離原子、空穴或裂紋組成的。原子集團由數(shù)量不等的原子組成，其大小為10-10m數(shù)量級，在此范圍內(nèi)原子排列仍具有一定的規(guī)律性，稱為“近程有序”。原子集團間的空穴或裂紋內(nèi)分布著排列無規(guī)則的游離原子。這樣的結(jié)構(gòu)不是靜止的，而是處于瞬息萬變的狀態(tài)，即原子集團、空穴或裂紋的大小、形態(tài)和分布及熱運動的狀態(tài)都處于每時每刻都在變化的狀態(tài)；液態(tài)中也存在著很大的能量起伏。由于能量起伏，液體中大量不停“游動”著的局域有序原子團簇時聚時散、此起彼伏而存在“結(jié)構(gòu)起伏”。

第36頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.4實際金屬和合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)

實際上，上述純金屬是不存在的。實際金屬中，即使非常純，也還存在著大量的雜質(zhì)原子。如含F(xiàn)e99.999999%的純鐵(實際金屬很難達到這么高的純度)，即雜質(zhì)含量為10-8，每摩爾體積(7.1cm3)中總的原子數(shù)為6.023×1023，則每1cm3鐵液中所含雜質(zhì)原子數(shù)約相當于1015數(shù)量級。

這些雜質(zhì)往往不只是一種，而是多種多樣的，它們在液體中不會很均勻地分布。它們的存在方式也是不同的，有的以溶質(zhì)方式，有的與其它原子形成某些化合物(液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的夾雜物)。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄第37頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.4實際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)當液態(tài)金屬中存在第二組元時(如合金)

由于同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，相互結(jié)合力較強的原子容易聚集在一起，而把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動原子團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動在不時發(fā)生著變化。這一現(xiàn)象稱為“濃度起伏”。

比如，若同類原子間(A─A、B─B)的結(jié)合力比異類原子間(A─B)結(jié)合力大，則A─A、B─B原子易聚集在一起，而形成富A及富B的原子團簇，在游動原子團簇中有的A種原子多，有的B種原子多。

A多B少A少B多第38頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.4實際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)的存在形式：（1）形成臨時的不穩(wěn)定的化合物：如果A－B原子間的結(jié)合力較強，則足以在液體中形成新的化學(xué)鍵，在熱運動的作用下，出現(xiàn)時而化合，時而分解的分子，也可稱為臨時的不穩(wěn)定化合物，或者在低溫時化合，在高溫時分解。例如，S在鐵鐵液中高溫時可以完全溶解，而在較低溫度下則可能析出FeS。（2）形成穩(wěn)定的化合物：當A－B原子間或同類原子間結(jié)合非常強時，則可以形成比較強而穩(wěn)定的結(jié)合，在液體中就出現(xiàn)新的固相(如氧在鋁中形成Al2O3，氧與鐵中的硅形成SiO2等)或氣相。

上述可以稱為液態(tài)金屬中的“相起伏”現(xiàn)象。（3）有些溶點較低而在金屬中固溶能力很低的元素，同類原子間(B－B)的結(jié)合力比金屬間(A－A)及其與金屬間的原子結(jié)合力(A－B)也較小時(不形成化合物)，則A－A原子易聚集在一起，而把B原子排擠在原子集團外圍和液體的界面上，如同吸附在其表面一樣。但當這種元素的加入量較大時，則也可以被排擠在一起形成B－B原子集團，甚至形成液體的分層。A－ABBBBBBBA-AB-B第39頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1.2.4實際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)總結(jié)實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。（1）它也存在著游動原子集團、空穴以及能量起伏；（2）在原子集團和空穴中溶有各種各樣的合金元素及雜質(zhì)元素，由于化學(xué)鍵力和原子間結(jié)合力的不同，還存在著濃度起伏；（3）存在成分和結(jié)構(gòu)不同的游動原子集團，在一些化學(xué)親和力較強的元素的原子之間還可能形成不穩(wěn)定的(臨時的)或穩(wěn)定的化合物。相起伏BACK第40頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1-3液態(tài)金屬的性質(zhì)一、液態(tài)金屬的粘滯性

1粘滯性的本質(zhì)

2影響粘度的因素

3粘度對鑄件形成過程的影響二、液態(tài)金屬的表面張力

1表面張力的實質(zhì)

2影響表面張力的因素

3表面張力引起的附加壓力第41頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六2、液體的性質(zhì)--粘滯性液態(tài)合金的粘度粘度的影響因素液體粘度的定義：粘度系數(shù)---簡稱粘度（動力學(xué)粘度η），是根據(jù)牛頓（SirIsaccNewton）提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式來定義:粘度的物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力τ大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)。要產(chǎn)生相同的dVX/dy，液體內(nèi)摩擦阻力越大，即η越大，所需外加剪切應(yīng)力也越大。1）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;2）粘度隨原子間距δ增大而降低;3）隨溫度T而下降。實際金屬液的原子間距δ也非定值，溫度升高，原子熱振動加劇，原子間距隨之而增大，因此η會隨之下降。4）合金組元（或微量元素）對合金液粘度的影響：合金元素的增加會使合金液的粘度上升.上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄第42頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六２、液態(tài)金屬的表面張力

－表面張力的實質(zhì)物體的表面是兩種相的分界面，該表面層總是具有某些不同于內(nèi)部的特有性質(zhì)，由此產(chǎn)生出一些表面特有的現(xiàn)象——表面現(xiàn)象。在鑄件形成過程中存在著許多相與相的界面，因此，研究鑄造過程的表面現(xiàn)象對于認識和掌握鑄件形成過程的內(nèi)在規(guī)律，以不斷提高鑄件質(zhì)量，是非常必要的。表征表面現(xiàn)象的主要參數(shù)是表面張力。第43頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1表面張力的實質(zhì)對于液體和氣體界面上的質(zhì)點(原子或分子)，由于液體的密度大于氣體的密度，故氣相對它的作用力遠小于液體內(nèi)部對它的作用力，使表面層質(zhì)點處于不平衡的力場之中。結(jié)果是表面層質(zhì)點受到一個指間液體內(nèi)部的力，使液體表面有自動縮小的趨勢。這相當于在表面上存在一個平行于表面且各向大小相等的張力，稱之為表面張力。這種現(xiàn)象猶如液體表面是一被拉伸的彈性薄膜，力圖縮小其表面一樣。第44頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六從物理化學(xué)可知，表面自由能是產(chǎn)生新的單位面積表面時系統(tǒng)自由能的增量。設(shè)恒溫、恒壓下表面自由能的增量為F，表面自由能為。當使表面增加S面積時，外界對系統(tǒng)所做的功為W＝

S

。該功的大小等于系統(tǒng)自由能的增量，即W＝

S＝F即表面自由能為單位面積上的自由能由于自由能可表達為力與位移的乘積，因此這樣，又可理解為物體表面單位長度上作用著的力，即表面張力。廣義地說，應(yīng)稱為界面張力．第45頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六衡量界面張力的標志是潤濕角氣體液體固體氣體液體固體f3f1f2f1f3f2f1的數(shù)值很小，比較f2和f3（１）若f3>f2，三力的合力F指向固體且垂直于液面，液面與固－液界面的夾角為銳角。此時界面張力的作用使液體沿固體表面鋪開，固－液之間是潤濕的（２）若f3<f2，三力的合力F指向液體內(nèi)部，與F垂直的液面與固－液界面的夾角為鈍角。此時界面張力使液面縮為球形，固－液之間為不潤濕。第46頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六從上述分析可知，兩種物質(zhì)接觸時，潤濕或不潤濕主要取決于其間的親合力。潤濕或不潤濕的表現(xiàn)為下圖中的接觸角。界面張力達到穩(wěn)定態(tài)后，圖中各界面張力之間的關(guān)系為第47頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六1)SG＞LS時，cos為正值，即＜90°。通常把為銳角的情況稱為液體能潤濕固體。＝0°時，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱為完全潤濕。2)SG<LS時，cos為負值，即>90°。此時液體傾向于形成球狀，稱之為液體不能潤濕固體。＝180°為完全不潤濕。第48頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－影響表面張力的因素熔點：原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點高，表面張力也大。溫度：對于多數(shù)金屬和合金，溫度升高，表面張力降低，即。這是因為，溫度升高時，液體質(zhì)點間距增大，表面質(zhì)點的受力不對稱性減弱，因而表面張力降低。當達到液體的臨界溫度時，由于氣－液兩相界面消失，表面張力等于零。但是，對于某些合金，如鑄鐵、碳鋼、銅及其合金等其表面張力卻隨溫度之升高而增大，即第49頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－影響表面張力的因素溶質(zhì)：

不同的溶質(zhì)元素對金屬的表面張力有不同的影響：使表面張力降低的溶質(zhì)元素，稱為該金屬的表面活性物質(zhì)使表面張力增加的溶質(zhì)元素，稱為該金屬的非表面活性物質(zhì)溶質(zhì)元素對表面張力的影響，可用計算單位表面積上吸附量的吉布斯公式衡量，其表達式為：第50頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六－單位表面積上較內(nèi)部多（或少）吸附溶質(zhì)的量，mol/m2c－溶質(zhì)濃度T－熱力學(xué)溫度R－氣體常數(shù)當，即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力減小時，＞0，為正吸附。當，即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力增大時，＜0，為負吸附。所謂正吸附就是溶質(zhì)元素在表面上的濃度大于在液體內(nèi)部的濃度，負吸附則是溶質(zhì)元素在表面上的濃度小于在內(nèi)部的濃度。因此，表面活性物質(zhì)具有正吸附作用；而非表面活性物質(zhì)具有負吸附作用。第51頁，共59頁，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－表面張力引起的附加壓力

假設(shè)液體中有一球形氣泡，球的表面積S＝4r2液態(tài)金屬的表面張力