液态金属结构与性质

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第三级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,液态金属结构与性质,第一节 引言,第二节 液态金属的结构,第三节 液态合金的性质,第四节 液态金属的充型能力,2,第一节 引言,一、 液体的分类,二、 液体的表观特征,三、 液体的结构、性质与材料成形的关系,3,一、 液体的分类,按液体的构成类型和内部作用力可分为：,原子液体（如液态金属、液化惰性气体）,分子液体（如极性与非极性分子液体）,离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）,4,二、 液体的表观特征,具有流动性,（液体最显著的性质）,；,可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状,（类似于气体，不同于固体）,；,不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强,（类似于气体，不同于固体）,；,具有自由表面,（类似于固体，不同于气体）,；,液体可压缩性很低,（类似于固体，不同于气体）。,5,液 体 性 质,物理性质,：熔点（熔化温度区间）、沸点、密度、,粘度,、电导率、热导率和扩散系数等；,物理化学性质,：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、,表面张力,等；,热力学性质,：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它,6,三、液体的结构和性质与材料成形的关系,液体的界面张力、潜热等性质,凝固过程的形核及晶体生长的热力学,熔体的结构信息,凝固的微观机制,液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质,成分偏析、固,-,液界面类型及晶体生长方式,热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度,铸造合金及焊接熔池的精炼,7,第二节 液态金属的结构,、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征,、 由物质熔化过程认识液体结构,、 液态金属结构的理论模型,8,一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征,晶体：,平移、对称性特征（长程有序）,原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动,气体：,完全无序为特征,分子、原子不停地作无规律运动,9,液体：,长 程 无 序,(Short Range Ordering),不具备平移、对称性；,近 程 有 序,(Short Range Ordering),相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停,“游荡”着的局域有序的原子集团,，液体结构表现出局域范围的有序性,10,液态金属的衍射结构参数,偶分布函数,g,(r),平均原子间距,r,1,径向分布函数,配位数,N,1,11,偶分布函数,g,(r),物理意义：,距某一参考粒子,r,处找到另一个粒子的几率,，换言之，表示离开参考原子,（处于坐标原点,r = 0,）,距离为,r,位置的原子数密度,(r),对于平均数密度,o,（,=N/V=,粒子数,N/,体积,V,体系）的相对偏差。,(r),= ,o,g,(r),图,1-1,气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征,12,平均原子间距,r,1,：,对液体（或非晶固体），对应于,g(r),第一峰的位置。,r = r,1,表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。,13,径向分布函数, RDF,：,(radical distribution function,）,RDF = 4r,2,o,g(r),表示在,r,和,r + dr,之间的球壳中原子数的多少。,图,1,2,稍高于熔点时液态碱金属（,Li,、,Na,、,K,、,Rb,、,Cs,）的径向分布函数,( RDF ),14,配位数,N,1,：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数。,配位数,N,1,的求法：,RDF,第一峰之下的积分面积；,N,1,与,r,1,一起，被认为是液体最重要的结构参数，因为它们描绘了液体的原子排布情况。,15,二、,由物质熔化过程认识液体结构,物质熔化时体积变化,熵变,(,及焓变,),一般均不大（见表,1-1,），金属熔化时典型的体积变化,V,m,/V,S,（,V,m,为熔化时的体积增量）为,3,%,左右，表明,液体的原子间距接近于固体,，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。,金属熔化潜热,H,m,比其气化潜热,H,b,小得多（表,1-2,），为,1/151/30,，表明,熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏,。,16,三、,液态金属结构的理论模型,（一） 无规密堆硬球模型,（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型,（三） 液体结构及粒子间相互作用的理论描述,（四） 实际液态金属的微观特点,17,液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。,微晶模型,： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接。,空穴模型,： 金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。,位错模型,： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。,（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型,18,（四） 实际液态金属的微观特点,“能量起伏”,“结构起伏”,液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏,“浓度起伏”,同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。,19,第三节 液态合金的性质,一、液态合金的粘度,二、液态合金的表面张力,20,一、液态合金的粘度,（一） 液态合金的粘度及其影响因素,（二） 粘度在材料成形中的意义,21,（一）液态合金的粘度及其影响因素,1.,液体粘度的定义及意义,2.,粘度的影响因素,22,1.,液体粘度的定义及意义,粘度系数,-,简称粘度,(,动力学粘度,),，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的：,平行于,X,方向作用于液体表面,（,X-Z,面） 的外加剪切应力，,V,X,液体在,X,方向的运动速度，,dV,X,/dy,表示沿,Y,方向的速度梯度。,外力作用于液体表面各原子层速度,表述为：液体流动的速度梯度,dV,X,/dy,与剪切应力,成正比。,通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。,粘度的物理意义可视为：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。,要产生相同的,dV,X,/dy,，液体内摩擦阻力越大，即,越大，所需外加剪切应力也越大。,液体粘度量纲为,M / LT,，常用单位为,PaS,或,mPaS,。,23,2.,粘度的影响因素,粘度,(Viscosity),表达式：,K,b, Bolzmann,常数；,U,为无外力作用时原子之间的结合能,0,为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为,10-13,秒）, ,液体各原子层之间的间距,粘度,随原子间结合能,U,按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；,粘度的影响因素：,粘度随原子间距,增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距,也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，,随之下降；,与温度,T,的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度,T,而下降（见,图,1-9,）；,24,合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：,M-H,（,Moelwyn-Hughes,）模型：,1,纯溶剂的粘度；,2,溶质的粘度；,X,1,、,X,2,分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的,mole,分数，,R,为气体常数，,H,m,为两组元的混合热。,若混合热,H,m,为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（,H,m,为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）,若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。,表面活性元素（如向,Al-Si,合金中添加的变质元素,Na,）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。,25,（二） 粘度在材料成形中的意义,先引入运动学粘度及雷诺数的概念：,运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：,运动学粘度,适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度系数,之后，,金和,水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理来考虑） 。,动力学粘度,在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数,有关。,26,流态对流动阻力的影响：,根据流体力学：当雷诺数,Re,2300,时为紊流，,Re,2300,时为层流,圆形管道：,f,为流动阻力系数：, , ,显然，流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就愈大，或者说所需压力差也就愈大。由此可知，在层流情况下的液体流动要比紊流时消耗的能量大。,27,粘度对成形质量的影响,影响铸件轮廓的清晰程度；,影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；,影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧；,影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：,熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。,28,粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响,在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。,29,影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向,由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。,30,影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧,在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行的，金属液中的杂质元素及熔渣中反应物要不断地向界面扩散，同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度和可进行到何种程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，金属液和熔渣的动力学,粘度,低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素,。,31,影响精炼效果及夹杂或气孔的形成,金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而,夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比,（流体力学的斯托克斯公式）。,粘度,较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。,32,对焊缝的合金过渡影响,在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上进行的。熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣,-,熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。因此，熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。,33,二、,液态合金的表面张力,（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素,（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义,34,（一）表面张力的实质及影响因素,表面张力及其产生的原因,表面自由能与表面张力的关系,表面与界面,影响表面张力的因素,35,1,、表面张力及其产生的原因,表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。,表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起,表面原子的势能比内部原子的势能高,。因此，,物体倾向于减小其表面积而产生表面张力,。,36,2,、表面自由能与表面张力的关系,表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面积表面时的自由能增量。,表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但都以,（或,）表示，其大小完全相同，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力,/,距离（如,N/m,、,dyn/cm,），表面能的单位为能量,/,面积（如,J/m,2,、,erg/cm,2,等）,。,37,3,、,表面与界面,表面与界面的差别在于后者泛指,两相之间的交界面,，而前者特指,液体（或固体）与气体之间的交界面,，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。,38,4,、,影响表面张力的因素,1,）表面张力与原子间作用力的关系,：,原子间结合力,u,0,表面内能,表面自由能,表面张力,2,）表面张力与原子体积,（,3,）成反比，与,价电子数,Z,成正比,3,）表面张力与温度,：随温度升高而下降,4,）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响,向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使,u,0,减小，使表面内能和表面张力降低。,39,（二） 表面张力在材料成形生产技术中的意义,表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用,界面张力与润湿角,表面张力引起的曲面两侧压力差,液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）,40,1,、界面张力与润湿角,接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好,。,例如：水银与玻璃间及金属液与,SiO,2,间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。,液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。,熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。,41,表面为平面时（曲率半径为无穷大），表面张力不产生压力差。当表面具有一定的曲度时，液相中的压力高于气相（,p,1,p,2,），该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。,2,、表面张力引起的曲面两侧压力差,对任意曲面：,对球形曲面（如液滴）（,r,1,=r,2,）：,液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：,p,1,p,2,液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压力：,p,1,p,2,对柱面（,r,2,),：,42,3,液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响,在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。,设液膜为圆柱体的部分凹面，由于表面张力的作用，始终存在着一个与外力方向相反的应力与之相平衡，其大小为：,当,r,=,T,/2,时，,f,max =p,达临界值，如果继续将液膜拉开，则曲率半径,r,将再度变大，而应力,p,将要变小。在这种情况下，凝固收缩引起的拉应力将大于由表面张力所产生的应力，使液膜两侧的固体急剧分离。,43,液膜的拉断临界应力,f,max,大小为：,对于,=10,-2,N/cm,的金属来说，如果液膜厚度为,10,-6,mm,时，要将液膜两侧的晶粒拉开所需应力为,210,3,N/mm,2,！液膜拉断时若无外界液体补充，那么晶粒间或枝晶间便形成了凝固热裂纹。可见，,液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力,f,max,越大,，裂纹越难形成。,第一种情况,：,凝固的早期,，或者靠近液体的两相区内，液膜与大量未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体,补充,进去多少，因此,不会产生热裂,。,44,第二种情况,：液膜已经与液体区,隔绝,，但是由于,低熔点物质,的大量存在（如钢中的硫共晶），形成,大的液膜厚度,和,低的表面张力,，将使液膜的最大断裂应力,f,max,减小，且熔点低而凝固速度较慢，这样，厚的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速度，则往往要,产生热裂,。,第三种情况,：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中,低熔点杂质较少,，其,表面张力较高,，,熔点也相应较高,而,凝固速度较快,，液膜迅速变薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到,大的,f,max,的抗力，这种抗力将使,高温固体内部,产生,蠕变变形,，从而,避免了热裂的产生,。,45,第四节 液态金属的充型能力,一、 液态金属充型能力的基本概念,二、 影响充型能力的因素,46,液态金属充型能力,液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据之一；,充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。,47,液态金属的充型能力取决于：,内因,金属本身的流动性,(,流动能力,),外因,铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，,是各种因素的综合反映。,表,1-4,不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚,金属种类,铸 件 最 小 壁 厚 （,mm,）,砂 型,金 属 型,熔模铸造,壳 型,压 铸,灰 铸 铁,3,4,0.4-0.8,0.8-1.5,-,铸 钢,4,8-10,0.5-1.0,2.5,-,铝 合 金,3,3-4,-,-,0.6-0.8,48,合金的螺旋形流动性实验,在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。,1.,浇口杯, 2.,低坝, 3.,直浇道, 4.,螺旋,5.,高坝, 6.,溢流道,7.,全压井,49,液态金属停止流动机理与充型能力,图,1-25,纯金属、共晶成分合金及结晶温度 图,1-26,宽结晶温度合金停止,很窄的合金停止流动机理示意图 流动机理示意图,前端析出,1520,的固相量时，流动就停止。,充型能力强,50,影响充型能力的因素,1.,金属性质方面的因素,（流动性的高低）,2.,铸型性质方面的因素,3.,浇注条件方面的因素,51,1.,金属性质方面的因素,纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；,结晶潜热（约为液态金属热量的,8590%,）：对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性影响不大。,合金液的比热、密度越大，导热系数越小,停止流动前的时间越长，充型能力越好；,合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。,例：,Fe-C,合金流动性与成分的关系,52,2,、铸型性质方面的因素：,铸型的蓄热系数,b,2,越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。反之，则上升。,金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数,b,2,是砂型的十倍或数十倍以上，为了使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入,b2,很小的石棉粉。,湿砂型的,b,2,是干砂型的,2,倍左右，砂型的,b,2,与造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。,53,3、浇注条件方面的因素,浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好；,浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度等也会影响液态金属的充型能力。,54,图,1-21 Fe-C,合金流动性与成分的关系,55,56,RDF= 4r,2,o,g(r), atoms /,r, ,（,RDF,第一峰之下的积分面积,即所谓配位数,N,1,57,Crystal,Matter,Structure,Type,T,m,(K),V,m,/ V,s,(%),S,m,(J.K,-1,.mol,-1,),Na,bcc,370,2.6,7.03,Sc,bcc,302,2.6,6.95,Fe,bcc/fcc,1809,3.6,7.61,Al,fcc,931,6.9,11.6,Ag,fcc,1234,3.51,9.16,Cu,fcc,1356,3.96,9.71,Mg,hcp,924,2.95,9.71,Zn,hcp,692,4.08,10.7,Sn,complex,505,2.4,13.8,Ga,complex,303,-2.9,18.5,N,2,-,63.1,7.5,2.7,Ar,-,83.78,14.4,3.36,CH,4,-,90.67,8.7,2.47,58,(,H,b,/,Element,T,m,(,0,C),H,m,(kcal/mol),T,b,(,0,C),H,b,(kcal/mol),H,b,/ H,m,Al,660,2.50,2480,69.6,27.8,Au,1063,3.06,2950,81.8,26.7,Cu,1083,3.11,2575,72.8,23.4,Fe,1536,3.63,3070,81.3,22.4,Zn,420,1.73,907,27.5,16.0,Cd,321,1.53,765,23.8,15.6,Mg,650,2.08,1103,32.0,15.4,表,1-2,几种晶体,物质的熔化潜热（,H,m,）和气化潜热,(H,b,),59,图,1-, 无规密堆结构中五种多面体间隙,a.,四面体；,b.,八面体；,c.,四方十二面体；,d.,三角棱柱多面体；,e.,阿基米德反棱柱多面体,60,a,）,Liquid Ni,b,）,Liquid Co,液体的粘度与温度的关系,（图中各曲线分别为不同研究者的研究结果）,61,1200 ,1700 ,1550 ,1400 ,62,本章,结束,63,谢谢大家！,结 语,