第一章液态金属的结构和性质

Ws Wα −α + Wβ − β = − Wα − β = σ α − β 2 2
由于Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ，代入上式，则：
σ α − β = σ α + σ β − Wα − β
由此可见，形成α-β界面所作的功Wα-β越大， 则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力越 大，则界面能越小。
f 层＝ 32 32η = Re Dνρ
0.092
f 紊＝
0.092 Re
0.2
＝
(Dvρ)
0.2
η0.2
f为流体流动时的阻力系数
所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一 般为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中， 则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
2）粘度在材料成形中的意义 ③对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度越大对流强度越小
第一章 液态金属的结构和性质 1.1 材料的固液转变
1、相变 气体
化 升 凝 化
蒸 结
凝
发
固体
熔化 凝固
液体
相变化过程：液体蒸发、气体凝聚、多晶转变。一定条件 下相之间的转变过程。即：相变过程。 相平衡；多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度 相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。
金属由液态转变 为固态的过程。
d.合金元素和夹杂物
表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高
2）粘度在材料成形中的意义 ①对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡） 运动粘度:
η ν= ρ
动力粘度除以密度
运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流 动。如浇铸系统的计算 动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如 夹杂的上浮和凝固补缩
润湿角θ：衡量界面张力的标志
同时与固相和气相接触的球冠形液相的界面张力的平衡情况
当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图 (a)所示。 当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见 (b)所示。 平衡时水平分量的平衡关系为：
σ SG = σ LS + σ LG cosθ
式中 σSG — 固相/气相界面张力； σLS — 液相/固相界面张力； σLG — 液相/气象界面张力。
界面张力和界面能 界面与表面的差别： 界面泛指两相之间的交界面 表面专指液体或固体与气体之间的界面，确 切的说，是指液体或固体在真空下的表面。 界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。 引起表面张力与界面张力的原因（实质） ？？ 表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上 的质点受力不平衡所引起的。
膨胀原因？ 原子间距增大和空穴的产生
3. 金属的熔化
熔点附近
晶界粘性流动
接近熔点
从晶界开始
晶粒相对滑动
继续吸热 （熔化潜热）
晶粒失去原有形状 晶粒瓦解，体积突然膨胀 晶粒瓦解，形成此起 彼伏的原子集团，游 离原子和空穴
温度不变，内能增加
约3% — 5%
1.2 液态金属的结构与分析
1. 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 固态金属 按原子聚集形态分为 晶体与非晶体 。 晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的 物质称为晶体。 单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者 多晶体：大多数金属通常是由位向不同的小单晶 （晶粒）组成，属于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频 率约为1013 次/s。
2
4π r g ( ρ m − ρ B ) 2 gr ( ρ m − ρ B ) ∴v = = 3 × 6π rη 9η
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
2）粘度在材料成形中的意义 ② 对液态合金流动阻力的影响 层流？紊流？雷诺数！Re＝D vρ/η
(< 2300层流，>2300紊流)
结晶是指从原子不规则排 列的液态转变为原子规则 排列的晶体状态的过程。
凝固
结晶
2、金属的加热膨胀
Frankel缺陷的产生
2、金属的加热膨胀
升温
热运动
热振动加剧，E转化为势能达新的平衡 平衡距离增加（膨胀） 部分原子越过势垒 膨胀
R1、R2、R3 （＞R0） 能量起伏
升温
起伏加剧
形成空穴
空穴移动、增多
单位：Pa·s。
•当相距1cm的两个平行液层间 产生1cm/s的相对速度时，在 界面1cm2面积上产生的摩擦力
② 粘度的物理意义： 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
③ 粘度的影响因素 富林克尔表达式：η =
kB：Bolzmann常数； δ：相邻原子平衡位置的平均距离 U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒 t0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13 s） T：热力学温度
F F δW = F ⋅ dx = (l ⋅ dx) = ⋅ dA = σ ⋅ dA l l
表面能：产生新 的单位面积表面 时系统自由能的 增量
进一步可得
F σ= l
σ =
δW
dA
•由此可见，表面张力σ是表面S内垂直F方向的单位 长度上的拉紧力； 也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功，称之为 表面能。 表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符号相 同，大小一样，单位也可以互换（如表面张力为 10-1N/m，则表面能为10-1J/m2 ） ，是从不同角 度描述同一表面现象。
由α和β两相形成α-β界面过程如图所示。
α-β界面形成过程示意图 设α相和β相均是截面积为1cm2，长2cm的长方体。在α相 和β相中点各作一垂直截面将其等分，分别新增2个面积为 1cm2的相表面和2个面积为1cm2的β相表面。 为此，外力所需作的正功分别为Wα-α和Wβ-β。如果用σα表 示相的表面能，σβ表示β相的表面能，
2. 液态合金的表面张力 1）表面张力的实质及影响表面张力的因素 2）表面张力在材料成形生产技术中的意义
1）表面张力的实质及影响表面张力的因素 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
① 表面张力及其产生的原因 表面 液体或固体同空气或真空接触的面
产生原因？
4. 实际金属的液态结构 液态金属内存在近程有序的原子集团。所以， 液态金属结构具有如下特点： l）液态金属是由游动的原子团构成。 2）能量起伏。 3）结构起伏。 4）浓度起伏（或成分起伏）。
金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就 是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过 程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状 态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列 状态（晶态）的转变均属于结晶过程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次 结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态 的转变称为二次结晶。
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。
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η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。
受力不均， 指向液体内 部的合力
原子或分子处于 力的平衡状态
物体倾向 于减小表面积而产 生表面张力
由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用， 导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面 能。如图所示，设表面S在绷紧力F的作用下，拉长 了dx距离 则外力所做的功为：
热运动升温热振动加剧e转化为势能达新的平衡平衡距离增加膨胀能量起伏升温起伏加剧部分原子越过势垒形成空穴空穴移动增多膨胀原子间距增大和空穴的产生2金属的加热膨胀熔点附近晶界粘性流动接近熔点继续吸热熔化潜热晶粒瓦解形成此起彼伏的原子集团游离原子和空穴约35从晶界开始晶粒相对滑动晶粒失去原有形状晶粒瓦解体积突然膨胀温度不变内能增加金属的熔化12液态金属的结构与分析固态金属按原子聚集形态分为晶体与非晶体
液态金属？ 液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由 运动，围绕着平衡结点位置进行振动， 但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 ►►液相结构？ 固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态金属则几乎总是非晶体 。 液态金属在结构上更像固态而不是汽态， 原子之间仍然具有很高的结合能。
X射线衍射分析
实际金属的液态结构
1.3 液态金属的性质 1. 液态合金的粘度 1）液态合金的粘度及其影响因素 • 液态金属是有粘性的流体。 • 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按 平行方向运动。 • 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点 作相对运动时，会产生摩擦阻力。
① 粘度系数或粘度，表达式：
dv x τ =η dy
4π r 2 ρ dr
理想液体的原子平 均密度分布曲线。
径向分布函数表示 在r+dr之间的球壳 中原子数的多少 固态铝中原子分布的规 律，原子位置固定，在 平衡位置做热运动，故 球壳上原子数显示出是 某一固定的数值，呈现 一条条的直线 图1-1 700℃液态铝中原 子密度分布线
2. 热物理性质 体积只膨胀3～5％， 即原子间距平均只增 大1～1.5％ ， 熔化潜热（△Hm）只占气化潜热（ △Hb ） 的3～7 ％ 这就可以认为金属由固态变成液态时，原 子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的 熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明 液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所 增大。 比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具 有相同的数量级。
Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ
α-β界面形成过程示意图
•然后，把 α 和 β结合成两个具有 α-β 界面整体， 这时所需作的负功为 -2Wα-β。 •因此，为形成2个 α-β 界面所作的净功 Ws 为：
Ws = Wα −α + Wβ − β − 2Wα − β
•形成一个α-β界面所作的净功Ws，在数值上等于α-β 界面的界面能σα-β，即：
σ SG − σ LS cosθ = σ LG
即杨氏方程式，接触角θ的值与各界面张力的相 对值有关。 1）σSG>σLS时，cosθ为正值，即θ<90° 称为液体能润湿固体。θ=0°时，液体在固体 表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2）σSG<σLS时，cosθ为负值，即θ>90°， 液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。 θ=180°为完全不润湿。所以θ角又称为润湿角。
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
2 g ( ρ m − ρ B )r 2 υ = ⋅ η 9
粘度η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。
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。
表面现象？
露珠
表面张力：液体表面内产生的平行于表面切线方 向且各向大小均等的张力。 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。
2 k BT
δ
3
U t0 exp( ) k BT
可以看出，影响粘度的因素有：
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。
液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高
b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。 粘度的本质：原子间的结合力 c.温度T. 总的趋势：随温度T的升高而下降
•由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而2τ0KT /δ3项则与温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项 eU/KT随温度增高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当 温度很高时，指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值 呈直线增加（正比）。（显然，这种情况已是接近气态了。）
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。
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。
夹杂和气泡上浮的动力
F = Vg ( ρ m − ρ B )
即二者重量之差
在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动 根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Fc为：
Fc = 6π rvη
r为球形杂质半径，v为运动速度
6π 杂质匀速运动时，Fc＝F，故 rvη
3
= Vg ( ρ m − ρ B )