材料成型原理-1.1 液态金属的结构
材料成形理论基础ppt文档
衍射结构为一条条带
第一个峰与固态极为相近
液态金属中原子的排列几个 原子间距的范围内与固态的排 列方式基本一致
700oC时液态Al中原子分布曲线
稍高于熔点时液态碱金属的径向分布函数
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
液态金属结构的理论模型
（一）无规密堆硬球模型（Random Close Packing)
W-因原子不规则而产生的势能
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔点附近
➢晶粒之间的结合极大破坏 ➢晶粒之间更容易产生相对运动 ➢晶粒内部频繁跳跃、转移 ➢晶粒逐渐失去固定的形状和尺寸
具有流动的液体
提供能量进一步破坏 晶粒转变为小的原子集团
金属熔化过程及金属的液态结构研究方法
固态向液态转变时能 量的变化
活化原子
原子能量的统计分部
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
2.1.2 液态金属的熔化
金属的熔化
热震动加剧, 振幅增大，原子间平均距离增大，尺寸膨胀 能量达到及大于Q的活化原子增多，空位数增加、晶界产生移动
熔化时不要求所有或 绝大部分原子能量都 达到或大于Q值
熔化从晶界开始
熔化从晶界开始 ➢ 晶界上原子的排列方式不规则 ➢ 原子偏离平衡位置 ➢ 原子势能高 E>Q-W
EM
3 kT 2
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
n 能量等于或大于能量Q的原子数 nNeQ/kT
能量等于或大于能量 nQ E 的原子数 Q E
nQEnQeE/k T
金属材料成型基础之金属液态成型
（2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
体收缩率:
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率:
线收缩率是铸件产生应 力、变形、裂纹的根本
原因。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
7.0
白口铸铁: P+Fe3C+Le
（wC+wSi）%
麻口铸铁: P+Fe3C+G+Le 灰口铸铁:
珠光体灰口铸铁: P+G片
6.0
白 5.0 口
铸 4.0 铁
10 20
珠光体+铁素体灰口铸铁: P+F+G片 铁素体灰口铸铁: F+G片
灰口铸铁
30 40 50 60 70
3．麻口铸铁: 组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰 口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻 点，故而得名。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为:
1．普通灰口铸铁 : 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示 2．可锻铸铁: 其石墨呈团絮状。。如图b所示。 3．球墨铸铁: 其石墨呈球状。如图c所示。
2.缩孔与缩松
液态合金在冷凝过程中, 若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积 得不到补充, 则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的 称为缩孔, 细小而分散的称为缩松。
1)缩孔和缩松的形成
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2)缩孔和缩松的防止
防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固 次序, 使铸件实现“顺序凝固”。
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
态 陷产生，导致成型件力学性能，
成 特别是冲击性能较低。
型 2. 涉及的工序很多，难以精确控
的 制，成型件质量不稳定。
缺 3.由于目前仍以砂型铸造为主，
点：
自动化程度还不很高，且属于热 加工行业，因而工作环境较差。
4.大多数成型件只是毛坯件，需 经过切削加工才能成为零件。
液态成型原理及工艺
冲天炉出铁
缸体等。
液态成型原理及工艺
液 (3) 成本较低
态
所用原料大都来源广泛，价格
成
低廉，一般不需要昂贵的设备。
型
的 (4)成型件尺寸精度高
优
成型件与最终零件的形状相似、
点：
尺寸相近，因而切削加工余量可 减少到最小，从而减少了金属材
料消耗，节省了切削加工工时。
液态成型原理及工艺
液
1. 组织疏松，晶粒粗大，成型件 内部常有缩孔、缩松、气孔等缺
液态成型原理及工艺
一、液态合金的流动性
1、合金流动性：是指液态合金本身的
流动能力。
合金的流动性用浇注 流动性试样的方法来 衡量。流动性试样的 种类很多，如螺旋形、 球形、α形、真空试 样等等，应用最多的 是螺旋形试样，如图11所示。
图1-1 液态成型原理及工艺
合金流动性主要取决于合金化学成分。对应着纯 金属、共晶点和形成金属间化合物的成分，流动 性出现最大值；而有结晶温度范围的合金，流动 性下降。这是因为纯金属和共晶成分的合金是在 恒温下结晶的，凝固层表面光滑，对尚未凝固的 金属液流动阻力小，因此流动性好；如图1-2a。
液态成型原理及工艺
绪 论 复习题
1、什么是液态成型？优缺点有哪些？
液态成型原理及工艺
第一章液态成型工艺基础理论
成型1-液体金属的结构和性质(1)全解
润湿现象
Absolute wetting No wetting
结构（相）起伏、温度（能量）起伏、成分（浓度）
起伏。——原子集团、空位等的大小、形态、分布及热 运动时刻处于变化状态。
X射线衍射分析 横坐标为观测点至某一任 意选定的原子（参考中心）的 距离，对于三维空间，它相当
于以所选原子为球心的一系列
球体的半径。 纵坐标表示当半径增减一
个单位长度时，球体（球壳）
其固态时的有序排列相近，只不
过由于原子间距的增大和空穴的 增多，原子配位数稍有变化。
液态金属的结构特征
１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。 ２）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量不均匀 性，存在能量起伏。
原子团是时聚时散
，存在结构起伏。 同一种元素在不同 原子团中的分布量，存 在成分起伏。
液体金属的结构和性质
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。 主要研究对象——液体金属 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成 分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要 的外在的工艺因素。 液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、 球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重 力等）也能对凝固过程产生重大的影响。
材料的固液转变
晶格常数 原子位置 激活能
固态至液态过程： 固态升温，晶格常数变大 继续加热，达到激活能值原子数进一步增加，原子离 开点阵——形成空位 局部势垒减少，临近原子进入——空穴位移 晶界处原子处于激活状态，原子向临近晶粒跳跃，原 有晶粒形状尺寸改变——相对流动——熔化 进一步加热，温度不升高，原子跳跃频繁，晶粒瓦解 ——原子集团、游离原子、空穴——液态
液态金属结构示意图
§2-2 液态金属的结构与分析
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
1.1.2 液态金属结构
例-[铸铁]
铸铁是含铁、碳、硅、锰、硫等元素的复杂多元合金；
1.2 液态金属的性质
黏度 表面张力
1.2.1 黏度
定义
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-毛细管法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡容器法（扭摆法）
1.2.1 黏度
1.4.1 半固态铸造
1.4.1 半固态铸造
1.4.2 半固态金属的流变性
对于非牛顿流体，根据其切应力与速度梯度之间的关 系，有宾汉体（Bingham Body）、开尔文体（Kelvin Body）、麦克斯韦体（Maxwell Body）、施韦道夫体 （Schwedoff Body）等类型。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
[导入案例]
众所周知，世界上所有 的元素或化合物均以固 体、液体或气体的形式 存在，其存在方式取决 于温度和压力条件；
1.1 液态金属的结构
熔化过程
固相→液相的相变； 两种观点
（1）认为金属固→液转变是通过单个原子间的分离途径来实现 的，即有规则排列的固相晶体直接分裂成单独的原子；
测量方法 （1）座滴法
材料成形原理课后习题解答
材料成型原理第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。
1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。
表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。
表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。
附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。
1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的冲型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。
1.4 解：浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力ρ＝2σ/r显然 r ＝21×0.1cm ＝0.05cm 则 ρ＝410*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝ρ/（ρ液*g ）＝10*75006000＝0.08m 1.5 解： 由Stokes 公式 上浮速度 92(2v )12r r r －＝ r 为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000γ2＝g 2*ρMnO ＝10*5400＝54000所以上浮速度 v ＝0049.0*95400075000(*10*1.0*223）－）（－＝9.5mm/s 3.1解：（1）对于立方形晶核 △G 方＝－a 3△Gv+6a 2σ①令d △G 方/da ＝0 即 －3a 2△Gv+12a σ＝0，则临界晶核尺寸a *＝4σ/△Gv ，得σ＝4*a △Gv ，代入① △G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *24*a △Gv ＝21 a *2△Gv 均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*＝21 a *3△Gv （2）对于球形晶核△G 球*＝－34πr *3△Gv+4πr *2σ 临界晶核半径r *＝2σ/△Gv ，则△G 球*＝32πr *3△Gv 所以△G 球*/△G 方*＝32πr *3△Gv/(21 a *3△Gv) 将r*＝2σ/△Gv ，a *＝4σ/△Gv 代入上式，得△G 球*/△G 方*＝π/6<1，即△G 球*<△G 方*所以球形晶核较立方形晶核更易形成材料成型原理第 3 页 共 16 页3-7解： r 均*＝(2σLC /L)*(Tm/△T)＝319*6.618702731453*10*25.2*25）＋（－cm ＝8.59*10－9m △G 均*＝316πσLC 3*Tm/（L 2*△T 2） ＝316π*262345319*)10*6.61870(2731453*10*10*25.2(）＋（）－＝6.95*10－17J3.2答： 从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。
材料成型原理
材料成型原理第1章液态金属的结构与性质物相由界面包围的具有一定成分和结构的均匀体组织物相的机械混合物润湿性是指存在两种互不相溶液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性压力差物体两侧所受压力的差值现代晶体学表明，晶体的原子一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，表现出平移对称性特征，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动，相对于晶体这种原子有序排列，气体的分子原子，不停的做无规律运动。
液体表现出长程无序特征，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
偶分布函数的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的概率。
晶态固体因原子以特定方式周期排列，其偶分布函数以相应的规律呈分立的若干尖锐峰，液体的g(r)出现若干衰减的钝化峰，直至几个原子间距后趋于直线g(r)等于1。
由于能量起伏，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，而存在结构起伏，实际金属的现象，还要复杂的多，除了能量起伏及结构起伏，还同时存在着浓度起伏。
长程有序：液体的原子相对于周期有序的晶体固态是不规则的，液体结构宏观上不具有平移、对称性。
黏度是液体内摩擦阻力大小的标志，黏度的物理意义可以视为：作用于液体表面的应力与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
表面活性元素使液体黏度降低，非表面活性杂质的存在使黏度提高。
黏度的意义：黏度影响金属液的流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度。
影响钢铁材料的脱硫，脱磷，扩散脱氧。
熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。
影响铸件内部缩孔或缩松、热裂的形成倾向。
影响精炼效果，夹杂、气孔的形成。
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致。
表面是产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，前者指液体或固体与气体之间的交界面。
原子间结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越大，表面张力也就越大。
材料成型基础第一章液态成形理论基础
29
防止和减小铸造应力的措施
①合理设计铸件结构 铸件的形状愈复杂，各部分 壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈 大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、 对称、壁厚均匀。 ②尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 ③采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一 些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进 行凝固，如下图所示。因各部分温差小，不易产生 热应力和热裂，铸件变形小。
凝固组织： 晶粒形态、大小、分布（宏观） 晶粒内部结构的形态、大小、分布（微观）
影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺
3
2、铸件的凝固方式
铸件的凝固一般存在3个区：固相、凝固、液相； 凝固区的宽度S决定了凝固方式。 （1）逐层凝固
动画3
只发生在纯金属或共晶成分合金 （2）糊状凝固
动画4
发生在结晶温度范围很宽的合金 （3）中间凝固
4
动画5
3、影响铸件凝固方式的主要因素： （1）合金的结晶温度范围
5
（2）铸件的温度梯度
（陡平程度）
6
铸件的温度梯度主要取决于： 1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、 结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温 度梯度就愈小。 2）铸型的蓄热能力好，对铸件的激冷能力愈强， 使铸件的温度梯度愈大。 3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从 而降低铸件的温度梯度。 总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温 度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈 容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件 时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺 措施，减小其凝固区。
热应力 相变应力
24
热应力
铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同 一时间内铸件各部分收缩不同，先冷却的部位阻碍了后 冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。
【材料成型原理--铸造】第2章 液态金属的结构与性质
气相
液相
21/36
• 2、影响因素 • （1）温度
多数：温度上升——表面张力下降； 反常：温度上升——表面张力升高，如铜、铁。 • （2）溶质（杂质） 表面活性物质：表面张力下降——正吸附； 表面非活性物质：表面张力升高——负吸附。 • （3）液体的性质 不同液体，表面张力不同。
降、速度大）
7/36
三、实际金属的液态结构特点
• 1、存在大量杂质原子 • （1）杂质是多种多样的，非一种； • （2）杂质分布不均匀； • 浓度起伏：游动原子集团之间存在成分不均匀性； • 结合力不同：结合力强的易聚； • 能量起伏：各原子间能量不同或各原子团尺寸不同。
8/36
• （3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。 A、B结合力较强——形成新的化学键——
1）杂质数量、形状和分布，影响粘度； 固态杂质——粘度增大；杂质多——粘度增大。
2）同一合金，成分不同——粘度不同。接近共晶成 分——粘度降低。
18/36
19/36
• 3、粘度对材料成型的影响 （1）金属液净化（气体、杂质的排出）； （2）流动阻力与充型； （3）凝固过程中的对流。
20/36
三、表面张力
(C6)n碳簇,Cn分子，C原子的转化与形成石墨， Fe3C、奥氏体之间的关系
2.2 液态金属的性质
15/36
一、基本物理性质
• 熔点，熔化热 • 沸点，蒸发热 • 热膨胀和收缩： Bi Sb Si凝固膨胀 • 导电性： 温度升高，导电性降低 • 导热性：导热好，温差小，应力小 • 扩散速度：原子与空位的交换，大于固态
材料成型基础大纲
材料成型基础考试知识点（模具塑工）1、液态金属的结构液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈与原固体“显微晶体”类似的规则排列。
热运动剧烈，原子集团时散时聚，空位较多。
可将液态金属的结构总结为：“近程有序，远程无序”+“能量起伏、结构起伏、成分起伏”。
液态金属结构特点1）液态金属是由游动的原子集团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，成为能量起伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，成为结构起伏。
4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。
2、液态金属的充形能力和流动性1）充形能力：液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。
2）流动性：液态金属本身的流动能力。
影响充形能力的因素：液态金属的流动性（金属）、铸型、浇筑条件、铸件结构。
3、铸件的凝固方式金属或合金在铸型中凝固时，可以分为三个典型的区域：1）液相区2）固液两相区3）固相区三种凝固方式：逐层凝固、体积凝固、中间凝固1）逐层凝固：铸件凝固过程中，液体和固体之前有明显的界限分开，液体向固体转变。
固体逐层加厚，这种方式称为逐层凝固。
（纯金属是典型的逐层凝固）2）体积凝固：宽结晶温度范围的合金在凝固过程中，液体和固体之前的凝固区域很宽，甚至贯穿铸件的整个断面，这种方式称为体积凝固。
3）中间凝固：介于上两者之前的凝固方式。
影响凝固方式的因素：1）结晶温度范围的影响：结晶温度范围增加，凝固由逐层凝固向体积凝固发展；结晶范围范围剑侠，凝固由体积凝固向逐层凝固发展。
2）温度梯度的影响：温度梯度增加，凝固向逐层凝固发展；温度梯度减小，凝固向体积凝固发展。
4、铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩，他主要包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。
材料成形工艺原理第二章液态金属的结构和性质
在碰撞时，有的原子将一部分能量传给别 的原子，而本身的能量降低了。
结果是每时每刻都有一些原子的能量超过 原子的平均能量，有些原子的能量则远小于 平均能量。这种能量的不均匀性称为“能量 起伏”。
由于能量起伏，一些原子则可能越过势垒跑到原 子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在 新的位置上作微小振动（图1-3）。一旦有机会获得 能量，又可以跑到新的位置上。
接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表 面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
特征：
将金属加热至熔点时，金属体积突然膨胀3~5%， 等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点前的总 膨胀量。
金属的其它性质如电阻、粘性等发生突变，吸收 大量热能——熔化潜热，而金属的温度不升高。
这些突变现象是不能仅仅用离位原子和空穴数目 的增加加以解释的。因为空穴数目的增加不可能是 突变的。
(5) 如前所述，由于势能曲线是极不对称的，向左振动 时，动能很快就全部转化为势能，原子所能达到的最大 偏离位置较小。
向右振动，则需较大的偏离，动能才全部转化为势 能，振幅的中心位置则由Ro→R1 …。但是，这种膨胀 只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。
(6) 晶体中每个原子的振动能量不是均等的， 振动方向杂乱无章。
或
当R=R0 时，F (R0)=0，即
对应于能量的极小值，状态 稳定。原子之间倾向于保持一定 的间距，这就是在一定条件下， 金属中的原子具有一定排列的原 因。
当R=R1时，吸引力最大，即
对应能量曲线的拐点。 当R＞R1时，吸引力开始减小， 势能向最大值转折。
二、金属的加热膨胀
晶体中原子并不是固定不动的，只要温度高于热力学 温度0K，每个原子皆在平衡位置附近振动，即所谓热振 动。温度升高时振动能量增加，振动频率和振幅加大。
材料成型基本原理完整版
第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。
3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，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。
4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而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内的近程有序。
拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。
能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。
结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。
材料成形原理-第一章(1)液态金属的结构和性质 PPT课件
1.1固态金属的加热、膨胀及熔化
1.1.2 金属的加热膨胀
当温度升高时，原子振动能量
图1-2 加热时原子间距和 原子势垒的变化
增加，振动频率和振幅增大。以双
原子模型为例，假设左边的原子被
固定不动而右边的原子是自由的。
则随着温度的升高，原子间距将由 R0→R1→R2→R3→R4；原子的能 量也不断升高，由 W0→W1→W2→W3→W4。原子间 距随温度升高而增加，即产生膨胀， 如图1-2所示。膨胀只改变原子的
5、缺点 （1 ）铸件尺寸均一性差； （2） 与压力加工和粉末冶金相比金属的利用率低； （3 ）内在质量比锻件差； （4 ）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等
2、我国铸造技术的发展
我国铸造技术已有5000年的悠久历史 铸造技术的成就推动了农业、兵器制造、 天文、医药、音乐、艺术等方面的进步
1.2 液态金属的结构
液态金属的结构分析(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
表
状 （类似于气体，不同于固体）；
观 ㊣ 不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体
特
的原子或分子之间的结合力没有固体中强
征
（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
沧州铁狮的历史照片
湖北当阳铁塔，铸造 于北宋嘉佑六年（公 元1061年），八面十 三层 ，高16.945米, 据铭文记载的铁塔重 七万六千六百斤,当时 是就地设炉分层铸造, 采用堆土法而建起来, 各层之间重叠摆放,没 有焊接 ,整个塔身玲 珑隽秀,从上到下,自 里而外全生铁浇铸,仅 塔刹在 清代以青铜重 铸.
中国和美国1996～2001年铸件产量（万吨）
第1章 液态金属的结构和性质
材料成型原理——液态成形
水凝结成雪花晶体
Principle of Materials Forming材料成型原理——液态成形
液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 金属
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
主要研究（学习）内容
（1）液体金属的性质
（2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶斱式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）
材料成型原理——液态成形
（2）对液态合金流动阻力的影响
Re
根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为 层流。Re的数学式为 Dv 设f为流体流动时的阻力系数，则有： 64 64
当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金 属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻力小， 液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的 流动一般为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
（4）粘度对成形质量的影响
a. 影响铸件轮廓的清晰程度 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。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
液态金属的热物理性质
1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加 3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％，这说 明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有 一定的觃律性。 2．潜热 熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时 原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1
材料成型原理与工艺(01)-液态金属成形概论
夹杂物的排除： 夹杂物的排除：
金属液静止处理、真空浇注，加熔剂， 金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法
2012-1-8
凝固区域
固相区、凝固区、液相区
凝固方式
逐层凝固方式 体积凝固（糊状凝固方式） 体积凝固（糊状凝固方式） 中间凝固方式
2012-1-8 22
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于 这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故 称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄 铜等都是糊状凝固的合金。 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状 凝固之间,称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口 铸铁等具有中间凝固方式
气压保温浇包
15
采用德国KW公司技术的新二线主机，发动机缸体造型生产线。
罗兰门第制芯中心
2012-1-8 16
二、液态金属在铸型中的流动
1、 液态金属充型能力的基本概念 、
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， 叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。 液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的 情况，在充型过程中当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停 止，造成铸件“浇不足”缺陷。 液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：
2012-1-8
18
思考题 1 1. 液态金属成形的概念是什么？液态金属 液态金属成形的概念是什么？ 成形具有哪些优点？ 成形具有哪些优点？ 2. 液态金属成形生产过程。 液态金属成形生产过程。
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
1.3.1 金属遗传性
广义上说，金属的遗传性理解为在结构上（或在物性 方面），由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息 传递。
具体体现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组 织、力学性能以及凝固缺陷的影响。
1.3.1 金属遗传性
1 力学性能的遗传性
金属及合金遗传性在力学性能方面可利用合金“遗传系数” 的概念进行衡量
1.1.1 液态金属结构的研究方法
gr
1
1
2 2n r 00
0
Q
I Nf
2
1sinQrdQ
Q 4 sin
1.1.1 液态金属结构的研究方法
径向分布函数 定义：
物理含义：
1.1.1 液态金属结构的研究方法
偶势
配位数
rm
Z
2
4r
1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
对成型过程的影响 -毛细现象
假设液体中有一
半径为r的球形气泡
1.2.2 表面张力
1.3 遗传性
20世纪20年代，法国的学者Levi通过对Fe-C系合金的 研究发现片状石墨组织与炉料中石墨的尺寸有关，首 次提出了金属遗传性的概念。随后的研究工作表明， 在相同的生产条件下，合金的组织和性能取决于微观 组织和质量，其原始状态对合金熔体及最终产品微观 结构的特殊影响，即称之为“遗传性”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
横坐标r为观测点至某一
任意选定的原子（参考中
心）的距离，对于三维空
间，它相当于以所选原子
为球心的一系列球体的半
径。
纵坐标 4πr 2ρ(r) = 4πr 2 ⋅ dr ⋅ ρ
表示当半径增减一个单位
长度时，球体（球壳）内
原子个数的变化值，其中
ρ（r）称为密度函数。 图1-1 700℃液态铝中原子密度分布线
第一章 液态金属的结构与性质
12
初步定性结论
熔化后原子间距稍有增大，排列松散； 液态金属与固态相比，金属原子的结合键 破坏很少部分； 排列的有序性下降，混乱度增加； 气、液、固相比较，液态金属结构更接近 固态。
第一章 液态金属的结构与性质
13
1.1.2 液体结构的衍射研究
由X射线衍射结果整理而 得的原子密度分布曲线。
得到一些有成效的结果。但由于在某种程度上以
长程有序的点阵构造为基础，而这种构造在液体
中并不存在。因此这类理论的致命弱点是对于熔
化引起的熵变，总是估计过低。
第一章 液态金属的结构与性质
23
C. 几何理论
将液体看成是原子或分子的随机密堆积物。即液 体是原子及分子的均质的、密集的、实质上是无 序的集合体。其中既无晶体区域，也无大到足以 容纳另一原子的空穴。
6
Structure and Properties of Liquid Metals
1.1 液态金属的结构 1.2 液态金属的性质
第一章 液态金属的结构与性质
2
1.1 液态金属的结构
凝固过程从液态开始。金属和合金液的 结构对凝固过程和组织有重要影响。合 金液的预处理，如过热处理、微合金化 处理等可以改变液体的状态与结构，从 而影响凝固组织。 科学上对物质的液体状态的认识，远远 落后于气态和固态。
A.体积变化
金属熔化，由固体变成 液体时，比容仅增加 3-5% 。 即 原 子 间 距 平 均 只 增 大 1 ～ 1.5 ％ 这 说明原子间仍有较大 的结合能。液态原子 的结构仍有一定的规 律性。
Crystal Matter
Na Fe Al Ag Cu Mg Zn
Structure Type bcc
例：99.999999%Fe, 杂质含量10-6 %， 每摩尔Fe， 原子数为6.023*1023个原子。
则: 每cm3铁中，杂质原子数为1015量级。
由于各元素间相互作用和化学键不同，杂质的存 在破坏了液体的均匀性，造成分布不均。
第一章 液态金属的结构与性质
26
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
液态金属的实际结构
近程有序、远程无序。能量、结构和成分起伏。
第一章 液态金属的结构与性质
29
1700 ℃
第一章 液态金属的结构与性质
27
实际液态金属的结构特征
组成：液态金属是由游动的原子团、游离原子、 空穴、裂纹或杂质构成。
特征：“近程有序”、“远程无序”。
– 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 ，存在结构起伏。
–原子间能量不均匀性，存在能量起伏。 –同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成分起
第一章 液态金属的结构与性质
19
C. 衍射研究的基本结论
近程有序、长程无序：在几个原子间距范围内， 质点的排列与固态相似，排列有序；
用近程有序Short-range order概括衍射图的特 征，这是理解液体结构的重要概念；这种“有序 “存在几个原子或分子直径范围，随温度升高而缩 小；
液态金属的原子分布密度图形特征相同，配位数
第一章 液态金属的结构与性质
17
B.配位数
定性评定晶体中原子排 列的紧密程度的参数， 指晶格中任一原子，其 周围紧邻的等距离原子 数目。
邻近参考原子密集排列 的第一球壳原子数。即r原子密度图中第一单峰 下的面积。
第一章 液态金属的结构与性质
18
固液两相配位数对比
表1－4 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数
bcc/fcc fcc fcc fcc hcp hcp
Tm (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)
370 1809 931 1234 1356 924 692
Vm / Vs (%)
2.6 3.6 6.9 3.51 3.96 2.95 4.08
表1-1 金属熔化时的体积变化
第一章 液态金属的结构与性质
9
B.潜热
熔化潜热一般只有升华热的3-7%，即熔化时原子 间的结合能仅减小了百分之几。
第一章 液态金属的结构与性质
4
对气态结构的认识
范德瓦尔斯（Van der Waals’）公式： (P+a/V2)(V-b)=nRT
P-压力 V-摩尔体积 R-通用气体常数 T -温度 a/V2-考虑原子和分子间相互作用力 b-与原子或分子体积有关的常数
第一章 液态金属的结构与性质
5
对固态结构的认识
Element
Al Au Cu Fe Zn Cd Mg
Tm (0C) 660 1063 1083 1536 420 321 650
Hm (kcal/mol)
2.50 3.06 3.11 3.63 1.73 1.53 2.08
Tb (0C) 2480 2950 2575 3070 907 765 1103
这是由于液态中的金属原 子是处在瞬息万变的热振 动和热运动的状态之中， 而且原子跃迁频率很高， 以致没有固定的位置，而 其峰值所对应的位置 （r）只是表示衍射过程 中相邻原子之间最大几率 的原子间距。
第一章 液态金属的结构与性质
16
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其 配位数与固态时相当。
该理论部分是成功的。对于一种简单的单原子液 体，所得出的径向分布函数与实测值相符。
至今尚未提出关于此模型统一的数学表达式。
第一章 液态金属的结构与性质
24
球的随机密堆积（钢球模型）
第一章 液态金属的结构与性质
25
1.1.4 实际液态金属结构
液体结构理论建立在理想状态—绝对纯金属。实 际金属液体含有杂质。
第二峰值虽仍较明显，但与固 态时的峰值偏离增大，而且随 着r的增大，峰值与固态时的偏 离也越来越大。 当它与所选原子相距太远的距 离时,原子排列进入无序状态。
表明，液态金属中的原子在几个 原子间距的近程范围内，与其固 态时的有序排列相近，只不过由 于原子间距的增大和空穴的增 多，原子配位数稍有变化。
第一章 液态金属的结构与性质
14
固态金属：原子在
某一平衡位置热振 动，因此衍射结果 得到的原子密度分 布曲线是一组相距 一定距离（点阵常 数）的垂线，每一 条垂线都有确定的 位置r和峰值。
图1-1 700℃液态铝中原子密
度分布线 第一章 液态金属的结构与性质
15
但对于液态金属而言，原 子密度分布曲线是一条呈 波浪形的连续曲线。
6
固态结构
第一章 液态金属的结构与性质
7
液态结构的研究方法
液态结构研究的困难：
– 相邻原子间作用力必须考虑； – 但原子的相对位置不能明确规定。因为
通常任一原子其四周的原子排列状况， 与别的原子相比，总有所不同。
研究方法有两种：间接方法、直接方 法
第一章 液态金属的结构与性质
8
1.1.1熔化与凝固时基本物理参数的变化规律
伏。
正是不均匀，为凝固成核提供了必要条件，使实际金属 成核更容易。
第一章 液态金属的结构与性质
28
1.1节内容回顾
研究方法有两种：间接方法、直接方法（X-ray 衍射）
液固转变发生的性质变化
（1）大多数金属熔化有约3-5%体积膨胀 （2）汽化潜热Lb远大于熔化潜热Lm （3）熔化时熵增大。 – 液体结构理论—几何理论（球随机密堆积模型）
近似，表明不同金属液态结构比固态有更大的相
似性；
第一章 液态金属的结构与性质
20
1.1.3 液体结构理论
凝聚理论：将液体看作是浓缩气体。 点阵理论：将液体看作是无序固体。 几何理论
第一章 液态金属的结构与性质
21
A. 凝聚理论
这类理论均从气体运动论出发，通过修正后的状 态方程，如范德瓦尔方程式，力求校正在浓缩气 体中原子或分子间的作用力（因各组员极为靠近 而产生）的影响。已提出了适于描述液体运动论 的分子分布函数。但这组方程在数学上是复杂 的，在实际应用方面难以有所成效。
第一章 液态金属的结构与性质
22
B. 点阵理论
这类理论的出发点，都是以不同的方式将缺陷引 入晶体点阵中，已有一些可能的理论，其中最恰 当的有：
z 晶胞理论：熔化是有序-无序反应。原子被限制在点阵 位置，独自作随机振动。
z 孔穴或空洞理论：将大量空位引入点阵。
z 有效结构理论：用似晶组分与似气组分之间的配比关 系表示液体状态。
Hb (kcal/mol)
69.6 81.8 72.8 81.3 27.5 23.8 32.0
Hb / Hm
27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
第一章 液态金属的结构与性质
10
C.熵的变化
– 金属由固态变成液态时，熵增大，表明液态中原子热 运动的混乱程度，与固态相比有所增大。
二十世纪初，衍射技术（X射线）的发现， 固态结构被清楚认识。
在晶体物质的结构中，原子或原子团在空 间是按规则的几何图形排列的—长程有序 （long-range order）。
原子在原子中心位置不断进行热振动，在 温度为0K时，原子“停止”运动。
在固态时必须考虑各原子间相互作用。
第一章 液态金属的结构与性质