金屬凝固原理

1、第四次工業(yè)革命第四次工業(yè)革命 2014年德國漢諾威工業(yè)年德國漢諾威工業(yè)博覽會博覽會4月月7日至日至11日舉行。日舉行?！肮I(yè)工業(yè)4.0”概念受概念受到關注。到關注。 早 在早 在 2 0 0 6 年 ， 聯(lián) 邦 政 府年 ， 聯(lián) 邦 政 府 高 技 術 戰(zhàn) 略高 技 術 戰(zhàn) 略2020 ，即，即未來項目未來項目“工業(yè)工業(yè)4.0”。 中國制造中國制造2025-十三五規(guī)劃十三五規(guī)劃-中國夢中國夢高度智能化高度智能化-信息化信息化-對人才的要求對人才的要求-跨界能力跨界能力怎樣具有跨界能力？中西教育的差距？不出國怎樣具有跨界能力？中西教育的差距？不出國能不能趕上？怎樣趕上？能不能趕上？怎樣趕上？ 為

2、什么讀研？職業(yè)規(guī)劃？人生規(guī)劃？如何實現(xiàn)？為什么讀研？職業(yè)規(guī)劃？人生規(guī)劃？如何實現(xiàn)？為什么活著？怎樣活得的更好？我應該在有限的為什么活著？怎樣活得的更好？我應該在有限的時間內培養(yǎng)哪些技能？時間內培養(yǎng)哪些技能？基本思路：人文修養(yǎng)的提升基本思路：人文修養(yǎng)的提升整體思維、邏輯整體思維、邏輯思維能力、文字處理能力、搜索能力（搜商）、批思維能力、文字處理能力、搜索能力（搜商）、批判性的思維。判性的思維。 霧里看花霧里看花-怎樣看得清清楚楚，明明白白？怎樣看得清清楚楚，明明白白？ 歸納總結，找相同找不同，為什么相同，為什歸納總結，找相同找不同，為什么相同，為什么不同？么不同？學而不思則罔學而不思則罔 思而不

3、學則殆思而不學則殆 溫故而知新溫故而知新 “雖有嘉肴，弗食不知其旨也；雖有至道，弗學不雖有嘉肴，弗食不知其旨也；雖有至道，弗學不知其善也。是故知其善也。是故學然后知不足，教然后知困。知不學然后知不足，教然后知困。知不足，然后能自反也；知困，然后能自強也。故曰：足，然后能自反也；知困，然后能自強也。故曰：教學相長也教學相長也。推薦相關的書籍：推薦相關的書籍：肖紀美肖紀美 宏觀材料導論宏觀材料導論 2014.12 材料學方法論材料學方法論 1994李慶春等李慶春等 鑄件形成理論鑄件形成理論 1982胡漢起胡漢起 金屬凝固原理金屬凝固原理關紹康關紹康 等等 材料成型基礎材料成型基礎 周堯和周堯和 胡

4、壯麒胡壯麒 介萬奇介萬奇 凝固技術凝固技術Fleming M G, Solidification Processing.Kurz W, Ficker D J. Foundamentals of Solidification. Switzweland: Trans Pub. Ltd,1998 漢譯本漢譯本 凝固原理凝固原理庫爾茲和費希爾庫爾茲和費希爾大野篤美著，大野篤美著， 邢建東譯，邢建東譯， 金屬的凝固金屬的凝固理論、理論、實踐與應用。實踐與應用。第第一一節(jié)節(jié)液液態(tài)態(tài)金金屬屬16合成與加工合成與加工化學成分化學成分使用性能使用性能(Service Performance)性質性質 理論及材料

5、設計理論及材料設計環(huán)境影響環(huán)境影響 結構（組織）結構（組織）材料科學與工程的內涵材料科學與工程的內涵 第第二二節(jié)節(jié)凝凝固固過過外，外，還還伴伴隨隨傳傳熱、熱、傳傳質、質、液液相相流流動動和和固固相相運運動。動。這這些些過過程程不不僅僅對對固固液液界界面面的的遷遷移移速速率率及及形形態(tài)態(tài)產(chǎn)產(chǎn)生生影影響，響，而而且且這這些些場場量量之之間間互互相相影影響，響，是是一一個個非非常常復復雜雜的的過過程。程。1、數(shù)數(shù)字字解解析析方方法法2、數(shù)數(shù)值值計計算算方方法法3、實實驗驗方方法法第第三三節(jié)節(jié)液液態(tài)態(tài)金金屬屬（合合oLoolLkDkcmRG)1 ( 21 AR)(2smDAlL22kt)()(2112

6、siTTcLTTbk澆n生鐵冶煉技術：生鐵冶煉技術：周朝末年，開始有了鑄鐵。鐵制農(nóng)具發(fā)展很周朝末年，開始有了鑄鐵。鐵制農(nóng)具發(fā)展很快。秦漢以后，耕田的農(nóng)具：鋤、鎌、犁、鍬等都是鐵制品?？?。秦漢以后，耕田的農(nóng)具：鋤、鎌、犁、鍬等都是鐵制品。生鐵的早期發(fā)展，為整個中國的鋼鐵技術發(fā)展奠定了基礎。生鐵的早期發(fā)展，為整個中國的鋼鐵技術發(fā)展奠定了基礎。n鑄鐵金屬型鑄鐵金屬型:鐵范：早在戰(zhàn)國時期，已用鐵范成批鑄造農(nóng)具、鐵范：早在戰(zhàn)國時期，已用鐵范成批鑄造農(nóng)具、手工工具。手工工具。n可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵：可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵：戰(zhàn)國時期已有白心、黑心可鍛鑄鐵。戰(zhàn)國時期已有白心、黑心可鍛鑄鐵。西漢時期此技術達成熟，成為

7、鑄作坊中的常規(guī)工藝。近年來西漢時期此技術達成熟，成為鑄作坊中的常規(guī)工藝。近年來發(fā)現(xiàn)近十件石墨為球形的鑄鐵農(nóng)具。發(fā)現(xiàn)近十件石墨為球形的鑄鐵農(nóng)具。n層疊鑄造：層疊鑄造：王莽時代，一次鑄王莽時代，一次鑄184枚銅錢、河南溫縣窯出枚銅錢、河南溫縣窯出土的土的2000年前疊箱澆注的鑄件，一組年前疊箱澆注的鑄件，一組18個馬嚼子。個馬嚼子。n大型及特大型鑄件：大型及特大型鑄件：滄州鐵獅子：公元滄州鐵獅子：公元953年：年：50噸；當噸；當陽鐵塔：公元陽鐵塔：公元1061年，年，50噸；正定銅佛：公元噸；正定銅佛：公元971年：年：50噸；永樂大鐘：公元噸；永樂大鐘：公元1418年，年，46噸。噸。n對經(jīng)濟

8、文化的重大影響：對經(jīng)濟文化的重大影響：日常用語中：模范、范圍、陶冶、日常用語中：模范、范圍、陶冶、鑄成大錯等來自于古代鑄造術語。鑄成大錯等來自于古代鑄造術語。戰(zhàn)國早期。戰(zhàn)國早期。1978年于湖北省隨縣（今隨州年于湖北省隨縣（今隨州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盤市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。尊是盛酒器，盤則是盛水器。出土時尊置于盤內，兩件器物則是盛水器。出土時尊置于盤內，兩件器物放在一起渾然一體。尊作喇叭狀，高放在一起渾然一體。尊作喇叭狀，高33.1厘米，厘米，口寬口寬62厘米。寬沿上飾玲瓏剔透的蟠虺透空厘米。寬沿上飾玲瓏剔透的蟠虺透空花紋，花紋又分上下兩層，形似朵朵云彩?；y，花紋又分上下兩

9、層，形似朵朵云彩。尊的頸部附飾有四頭豹形爬獸，皆由透空的尊的頸部附飾有四頭豹形爬獸，皆由透空的蟠螭紋構成獸身，作攀附上爬狀，返顧吐長蟠螭紋構成獸身，作攀附上爬狀，返顧吐長舌。在圓鼓的尊腹和高圈足部位，于淺浮雕舌。在圓鼓的尊腹和高圈足部位，于淺浮雕及鏤空的蟠螭紋上，各加飾四條高浮雕的虬及鏤空的蟠螭紋上，各加飾四條高浮雕的虬龍，取得了層次豐富、主次分明的藝術效果。龍，取得了層次豐富、主次分明的藝術效果。盤高盤高24厘米，寬厘米，寬57.6厘米，深厘米，深12厘米。盤口外厘米。盤口外折下垂，直壁平底，下附有四只龍形蹄足，折下垂，直壁平底，下附有四只龍形蹄足，口沿上另附四個方耳，耳的兩側為扁平鏤空口沿

10、上另附四個方耳，耳的兩側為扁平鏤空夔紋；在四耳之間，各有一條虬龍攀附，其夔紋；在四耳之間，各有一條虬龍攀附，其整體藝術風格與同出的尊相一致。曾侯尊盤整體藝術風格與同出的尊相一致。曾侯尊盤最為驚人之處，就在于那千絲萬縷、鬼斧神最為驚人之處，就在于那千絲萬縷、鬼斧神工的透空附飾。工的透空附飾。據(jù)冶金專家鑒定，該器是使用失蠟法鑄據(jù)冶金專家鑒定，該器是使用失蠟法鑄造成的造成的。出土文物 曾侯尊盤曾侯尊盤 編鐘編鐘戰(zhàn)國早期。1978年于湖北省隨縣（今隨州市）擂鼓墩曾侯乙墓出土。出土文物出土文物（Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安陽晚商遺址）（河南安陽晚商遺址）

11、青銅器時代: 青銅器時代: 湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍中國古代鐵器中帶有球狀石墨的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤ron Age（I）鐵時 器器代代計算機模擬車橋殼凝固過程示意圖沈陽鑄造所：電渣熔鑄工藝沈陽鑄造所：電渣熔鑄工藝鑄造的三峽水輪機導葉鑄造的三峽水輪機導葉 重重13噸噸尺寸：136020301360mm3 重量：1.3T材質：QT400-18AL寶馬發(fā)布鎂合金直列6缸引擎 消失模鑄造消失模鑄造如下圖所示。如下圖所示。消失模鑄件消失模鑄件V法鑄造全國最先進V法鑄鋼生產(chǎn)線單幅寬為單幅寬為2.8米，整幅寬為米，整幅寬為5.6米，為目前中國最大寬幅米，為目前中國最大寬幅EVA鑄造膜鑄造膜

12、 2.1液態(tài)金屬的結構 一、一、液態(tài)金屬結構的研究方法液態(tài)金屬結構的研究方法 結結構構研研究究理論研究理論研究動力學法動力學法MonteCalo法法逆逆MonteCalo法法試驗研究試驗研究結構敏感物理量測量結構敏感物理量測量法量法量核物理法核物理法吸收技術吸收技術衍射技術衍射技術X射線衍射、中子衍射和電子衍射線衍射、中子衍射和電子衍射射第一性原理第一性原理從頭計算法從頭計算法等溫等壓法等溫等壓法非平衡分子動力學非平衡分子動力學二、結構因子二、結構因子S(Q）g(r)r402雙體分布函數(shù)雙體分布函數(shù)g g(r)(r) 可以較好地描述液體可以較好地描述液體在平衡態(tài)下的結構和性質在平衡態(tài)下的結構和

13、性質 徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)(a) 氣體氣體 (a) 液體液體 (a) 固態(tài)晶體固態(tài)晶體 晶態(tài)固體 表表1 幾種晶態(tài)純金屬熔化時的熱物理性能變化幾種晶態(tài)純金屬熔化時的熱物理性能變化 說明：說明：液態(tài)金屬的原子間距接近于固體；熔化時原子之間結合鍵只破壞了百分之幾 。 圖圖1-4 7001-4 700時，液態(tài)時，液態(tài)AlAl中原子分布曲線，當中原子分布曲線，當rr時，時，(r) (r) 0 0, ,表示表示在較大體積中的原子平均密度（相當于非晶體態(tài)材料）在較大體積中的原子平均密度（相當于非晶體態(tài)材料）原子間距 配位數(shù) 固態(tài)金屬：一條條清晰的線；固態(tài)金屬：一條條清晰的線；液態(tài)金屬：一條條帶，第一峰

14、值與固態(tài)衍射線極為相近。液態(tài)金屬：一條條帶，第一峰值與固態(tài)衍射線極為相近。結論：結論：液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原子間距的范圍內，與其固態(tài)的排列方式基本液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原子間距的范圍內，與其固態(tài)的排列方式基本一致。但原子間距、空穴增多，配位數(shù)略有變化。一致。但原子間距、空穴增多，配位數(shù)略有變化。 三、三、金屬的液態(tài)結構金屬的液態(tài)結構 原子間結合能較強，原子在小距離內排列規(guī)則，原子間距增加不大。原子間結合能較強，原子在小距離內排列規(guī)則，原子間距增加不大。液體由許多原子集團組成（十幾個液體由許多原子集團組成（十幾個幾百個原子組成的），原子集團內幾百個原子組成的），原子集團內保持固態(tài)特征保

15、持固態(tài)特征“拓撲（短）近程有序排列拓撲（短）近程有序排列”。（。（Topological Short Range Ordering） 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，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，此起彼落，液態(tài)金屬結構存在不穩(wěn)定性時而消失，此起彼落，液態(tài)金屬結構存在不穩(wěn)定性 結構起伏結構起伏（structure Fluctuating）每時每刻都有原子的能量高于平均能量，也）每時每刻都有原子的能量高于平均能量，也有低于平均能量的原子存在，這種現(xiàn)象稱為能量起伏。（有低于平均能量的原子存在，這種現(xiàn)象稱為能量起伏。（Energy

16、 Fluctuating ）在實際金屬熔體中，游動原子團簇間存在化學成分差異，并且這種原在實際金屬熔體中，游動原子團簇間存在化學成分差異，并且這種原子團內部的成分不均勻性也處于不斷的變化之中。稱為子團內部的成分不均勻性也處于不斷的變化之中。稱為“化學短程有化學短程有序（序（Chemical Short Range Ordering）”，即，即“濃度起伏濃度起伏（Concentration Fluctuating）”或或“成分起伏成分起伏” 。原子集團平均尺寸及原子集團平均尺寸及“游動游動”速度均與速度均與T有關。有關。 具有中間金屬化合物的合金熔體中既有具有中間金屬化合物的合金熔體中既有“短程

17、有序短程有序”又可能存在又可能存在“中程有序（中程有序（Medium Range Ordering）”。 “中程有序中程有序”指的是處于指的是處于“短程有序短程有序”和和“長程有序長程有序”之間的有序情之間的有序情況，屬于尺寸較大的原子集團。況，屬于尺寸較大的原子集團。 “中程有序中程有序”的出現(xiàn)與合金的化學成分、熔體溫度及固態(tài)中存在的相的出現(xiàn)與合金的化學成分、熔體溫度及固態(tài)中存在的相應相結構等因素有關。應相結構等因素有關?！爸谐逃行蛑谐逃行颉痹诩兘饘俸秃唵味簿С煞值暮辖鹪诩兘饘俸秃唵味簿С煞值暮辖鹑垠w中不出現(xiàn)，并且存在一個低溫出現(xiàn)，高溫消失的溶化規(guī)律。熔體中不出現(xiàn)，并且存在一個低溫出

18、現(xiàn)，高溫消失的溶化規(guī)律。 引力波引力波 引力波引力波的發(fā)現(xiàn)驗證了廣義相對論最后一個未被實驗直接檢測的預言，的發(fā)現(xiàn)驗證了廣義相對論最后一個未被實驗直接檢測的預言，但引力波帶來的認知革命絕不止步于此。引力波為我們打開了除電磁輻射但引力波帶來的認知革命絕不止步于此。引力波為我們打開了除電磁輻射（光學、紅外、射電、（光學、紅外、射電、X射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個射線等）、粒子（中微子、宇宙線）之外，一個全新的窗口全新的窗口我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗我們從未能夠以這樣的方式觀察宇宙。在引力波這個新窗口中，我們不再是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑借口中，我們不再

19、是以電磁場、物質粒子作為觀察宇宙的憑借我們感受我們感受的，是時空本身的顫動！的，是時空本身的顫動！LIGO的直接探測到的第一例引力波事件（據(jù)說）的直接探測到的第一例引力波事件（據(jù)說）來自兩個恒星質量黑洞的并合。兩個黑洞并合前，會在與彼此的繞轉中攪來自兩個恒星質量黑洞的并合。兩個黑洞并合前，會在與彼此的繞轉中攪動周圍的時空，向四周散發(fā)出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分動周圍的時空，向四周散發(fā)出漣漪般的引力波。這些引力波帶走了一部分雙黑洞系統(tǒng)的引力勢能，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最雙黑洞系統(tǒng)的引力勢能，讓兩個黑洞越繞越近、越近越快。而兩個黑洞最終并合之后，融合成的大黑洞會經(jīng)過幾

20、下終并合之后，融合成的大黑洞會經(jīng)過幾下“搖擺搖擺”，才會融成完美的球形。，才會融成完美的球形。 “在在星際穿越星際穿越和和三體三體中，都不約而同地將引力波選為了未來中，都不約而同地將引力波選為了未來科技發(fā)達的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對于天文研究科技發(fā)達的人類的通訊手段，這也許只能是美好的幻想，但對于天文研究而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，就帶來了而言，引力波的確開啟了一扇新的窗口。吹進來的第一縷清風，就帶來了一個重大的信息：一個重大的信息： “引力波的直接探測實現(xiàn)了引力波的直接探測實現(xiàn)了50年前就設定好了的偉大目標：年前就設定好了的偉大目標：直接探測難

21、以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因直接探測難以捕捉的事物，更好地理解宇宙，以及，在愛因斯坦廣義相對論斯坦廣義相對論100周年之際完美地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇。周年之際完美地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇?！?“不少親朋好友問過我，你在研究些什么。我都這么回答：我們在找不少親朋好友問過我，你在研究些什么。我都這么回答：我們在找另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用另一種光，一旦找到，意味著人類從此有了第六感，就像有了超能力，用一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙。現(xiàn)在，我們，找到了！一雙天眼飽覽神秘宇宙中無盡的奧妙?，F(xiàn)在，我們，找到了！” 馬馬克斯普朗克引力物理研究所博士生，明鏡克

22、斯普朗克引力物理研究所博士生，明鏡 量子纏繞理論量子纏繞理論精選ppt65 5、實際、實際金屬的液態(tài)結構金屬的液態(tài)結構 與與理想的純金屬液態(tài)結構理想的純金屬液態(tài)結構的主要區(qū)別是：的主要區(qū)別是：實際液態(tài)金屬存在三種起實際液態(tài)金屬存在三種起伏伏 ：“結構起伏結構起伏”、“濃度起伏濃度起伏” 和和“能量起伏能量起伏”。實際金屬在微觀上是由成分和結構不同的游動原子集團、空穴和許多實際金屬在微觀上是由成分和結構不同的游動原子集團、空穴和許多固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成的，它是一種固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成的，它是一種“混濁混濁”的液體；而從化的液體；而從化學鍵上看，除了基體金屬與其合金組成的金屬鍵之外

23、，還存在其它多種學鍵上看，除了基體金屬與其合金組成的金屬鍵之外，還存在其它多種類型的化學鍵。類型的化學鍵。熔體與周圍環(huán)境（如熔煉或焊接氣氛、熔劑等）熔體與周圍環(huán)境（如熔煉或焊接氣氛、熔劑等） 相互作用；相互作用；熔化條件多種多樣（如壓力、外場作用等）熔化條件多種多樣（如壓力、外場作用等） ； 對液態(tài)金屬的加工處理（如變質處理、球化處理、微對液態(tài)金屬的加工處理（如變質處理、球化處理、微合金化、外場作用等），實際上都是希望改變這三種起伏合金化、外場作用等），實際上都是希望改變這三種起伏及凈化熔體，從而改善液態(tài)金屬的性質，達到控制凝固過及凈化熔體，從而改善液態(tài)金屬的性質，達到控制凝固過程、細化組織和

24、提高產(chǎn)品性能的最終目的程、細化組織和提高產(chǎn)品性能的最終目的。 工業(yè)應用的金屬主要是多元合金；工業(yè)應用的金屬主要是多元合金；原材料中含有各種各樣的雜質原材料中含有各種各樣的雜質； 實際液態(tài)金屬（合金）的結構更加復雜的主要原因實際液態(tài)金屬（合金）的結構更加復雜的主要原因 2.2液態(tài)金屬的性質液態(tài)金屬的性質 一、一、液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性 圖1-6液體內各層的流速（層流流動）粘滯性的本質粘滯性的本質a.a.粘度、動力粘度和運動粘度粘度、動力粘度和運動粘度粘度：液體內部質點間作用力引起的內粘度：液體內部質點間作用力引起的內摩擦力。物理意義：液體流動性的倒數(shù)。摩擦力。物理意義：液體流動性的倒數(shù)

25、。動力粘度：兩層金屬間的相互作用力動力粘度：兩層金屬間的相互作用力（內摩擦力）。（內摩擦力）。牛頓的液體粘滯流動定律：牛頓的液體粘滯流動定律： 粘滯系數(shù)接觸面積 （動力粘度）據(jù)弗倫克爾的液態(tài)結構的理論，粘滯據(jù)弗倫克爾的液態(tài)結構的理論，粘滯系數(shù)用下式表示：系數(shù)用下式表示： kTQekT302 和Q與原子間結合力有關dydvsxF(x)dydsxFx)(圖圖1-7金屬的金屬的動力粘度動力粘度與溫與溫度關系度關系b. 粘滯性的本質：質點間（原子間）結合力的大小。粘滯性的本質：質點間（原子間）結合力的大小。運動粘度運動粘度v：v液體的密度液體的密度 流體的紊流傾向大流體的紊流傾向大2.影響粘度的因素影

26、響粘度的因素a.a.溫度的影響溫度的影響理論分析理論分析：kTQekT302溫度較低（過熱度低）時，溫度較低（過熱度低）時，TT溫度很高時，溫度很高時，T T （接近氣態(tài)）（接近氣態(tài)）圖圖1-8Fe-C合合金的動力粘度金的動力粘度與的溫度關系與的溫度關系圖圖1-10粘度與成分關系粘度與成分關系b.化學成分的影響化學成分的影響難熔化合物的粘度較高，難熔化合物的粘度較高，而熔點低的共晶成分合金粘度而熔點低的共晶成分合金粘度低。低。 粘度與熔點有相似性粘度與熔點有相似性c.非金屬夾雜物的影響非金屬夾雜物的影響固態(tài)的非金屬夾雜物使合金粘度固態(tài)的非金屬夾雜物使合金粘度增加。液體流動時的內摩擦力增加。增加

27、。液體流動時的內摩擦力增加。MnS、AlO、SiO等。等。 3.粘度對鑄件形成過程的影響粘度對鑄件形成過程的影響a.對液態(tài)金屬流態(tài)的影響對液態(tài)金屬流態(tài)的影響 雷諾常數(shù)：雷諾常數(shù)：D是管道直徑，是管道直徑，V是液體流速是液體流速Re2300，紊流；，紊流；Re2300，層流，層流DVvDVRe流動阻力系數(shù)：流動阻力系數(shù)： 2 . 02 . 02 . 0D092. 0D32）（；紊層VfVf對對f影響大影響大對對f影響小影響小一般澆注情況下，澆注系統(tǒng)及型腔中為紊流。而型一般澆注情況下，澆注系統(tǒng)及型腔中為紊流。而型腔的細金屬部分，或充型的后期為層流。故腔的細金屬部分，或充型的后期為層流。故對型對型腔

28、的細薄部分充型有利，且可防止?jié)膊蛔闱坏募毐〔糠殖湫陀欣铱煞乐節(jié)膊蛔?。b.對液態(tài)金屬對流的影響對液態(tài)金屬對流的影響 溫度差和濃度差引起對流，對流強度用格拉索夫溫度差和濃度差引起對流，對流強度用格拉索夫準則度量：準則度量：223223;cLgGTLgGccrr液體流動對結晶組織，溶質分配，偏析，夾雜物的聚合物液體流動對結晶組織，溶質分配，偏析，夾雜物的聚合物都有影響。都有影響。 c.對液態(tài)金屬凈化的影響對液態(tài)金屬凈化的影響球形、半徑小于球形、半徑小于0.1mm0.1mm、且滿足小顆粒，上浮、且滿足小顆粒，上浮的條件：的條件：12Rervg)(922雜液rV V雜質留在液體中的可能性越大。雜質

29、留在液體中的可能性越大。二、液態(tài)金屬的表面張力二、液態(tài)金屬的表面張力 鑄件形成過程存在多種相及相界面鑄件形成過程存在多種相及相界面 界面反應界面反應 表面張力研究的重要性。表面張力研究的重要性。a.a.表面張力的本質表面張力的本質 在液體表面內產(chǎn)生的平行于液體表面，且各向均等的在液體表面內產(chǎn)生的平行于液體表面，且各向均等的張力，稱為表面張力。張力，稱為表面張力。 表面張力是氣表面張力是氣/ /液界面現(xiàn)象，它的的大小與液相和氣相液界面現(xiàn)象，它的的大小與液相和氣相的性質有關。的性質有關。 產(chǎn)生張力的表面層厚度不超過產(chǎn)生張力的表面層厚度不超過1010-7-7cmcm，相當于幾個原，相當于幾個原子子(

30、 (分子分子) )液層厚度。液層厚度。 由于液體表面層內質點受到不平衡力場的作用，由于液體表面層內質點受到不平衡力場的作用，導致表面繃緊或彎曲，導致表面內產(chǎn)生了多余的表面導致表面繃緊或彎曲，導致表面內產(chǎn)生了多余的表面能。如圖能。如圖111所示。所示。 設表面設表面S在繃緊力在繃緊力F的的作用下，拉長了作用下，拉長了dx距離，距離，則外力所做的功為：則外力所做的功為：進一步可得進一步可得:圖圖111表面張力簡圖表面張力簡圖因此，表面張力因此，表面張力 是表面是表面S S內垂直內垂直F F方向的單位長度上方向的單位長度上的拉緊力的拉緊力。也是也是增加單位表面積增加單位表面積dA外力所做的可逆功，稱

31、之為表外力所做的可逆功，稱之為表面能面能。注意注意： 表面張力和表面能數(shù)值上相同，但量綱不同，如表表面張力和表面能數(shù)值上相同，但量綱不同，如表面張力為面張力為10-1N/m，則表面能為，則表面能為10-1J/m2。由相關熱力學公式可得由相關熱力學公式可得此式表明，表面張力此式表明，表面張力 就是單位面積上的自由能。就是單位面積上的自由能。 式中負號表示由于產(chǎn)生了新的單位面積的表面，而式中負號表示由于產(chǎn)生了新的單位面積的表面，而使系統(tǒng)的自由能增加，增加值等于外力對單位表面所作使系統(tǒng)的自由能增加，增加值等于外力對單位表面所作的功。的功。b.b.潤濕角潤濕角嚴格地說，表面張力嚴格地說，表面張力 應稱

32、界面張力（包括：液應稱界面張力（包括：液- -氣、固氣、固- -固、固固、固- -液、固液、固- -氣等）。氣等）。LGLS 潤濕角指的是液相與氣相間的界面張力潤濕角指的是液相與氣相間的界面張力 與固相與液與固相與液相間的界面張力相間的界面張力 之間的夾角，之間的夾角， LG材料結構與性能材料結構與性能精選ppt6.1 晶體表面晶體表面晶體表面晶體表面6.1.1 靜態(tài)表面原子狀態(tài)和表面結構靜態(tài)：指原子不動（無熱激活）靜態(tài)表面原子狀態(tài)和表面結構靜態(tài)：指原子不動（無熱激活）6.1.1.1 清潔清潔表面區(qū)電子表面區(qū)電子密度分布的變化密度分布的變化/現(xiàn)象一現(xiàn)象一金 屬 材 料 ：金 屬 材 料 ：表

33、面 偶 向 真表 面 偶 向 真空 伸 入 約 伸空 伸 入 約 伸入約入約0.1nm 垂直表面方向上晶體內部垂直表面方向上晶體內部周期性遭到破壞，因而在表周期性遭到破壞，因而在表面附近的電子分布發(fā)生變，面附近的電子分布發(fā)生變，影響表面原子排列。在表面影響表面原子排列。在表面形成一層稀薄的電子云，形形成一層稀薄的電子云，形成一個偶電層。成一個偶電層。無表面影響無表面影響表面電子逸出形成電子云表面電子逸出形成電子云材料結構與性能材料結構與性能精選ppt6.1.1.2 表面弛豫和再構（表面弛豫和再構（Relaxation and Restructure ）表面原子表面原子也會發(fā)生向表面法線方也會發(fā)

34、生向表面法線方向的弛豫?？上蛲馀蛎浕蛳騼仁障虻某谠ァ？上蛲馀蛎浕蛳騼仁湛s，這由于表面原子在真空一側縮，這由于表面原子在真空一側喪失了近鄰原子而出現(xiàn)喪失了近鄰原子而出現(xiàn)“懸掛懸掛鏈鏈”，表面及附近原子達到新的，表面及附近原子達到新的平衡位置。平衡位置。注：一般來說，保留了平行表面注：一般來說，保留了平行表面的原子排列二維對稱性。的原子排列二維對稱性。理想的解離表面理想的解離表面表面向外弛豫表面向外弛豫外層外層4個原子層的再構（假想模型）個原子層的再構（假想模型）圖圖112 氣固液三相交點處質點氣固液三相交點處質點A的受力示意圖的受力示意圖 A點受到三個界面張力點受到三個界面張力 、 、 。LSL

35、GSG 當質點當質點A所受界面張力達到平衡時，各界面張力之間的關系服從楊所受界面張力達到平衡時，各界面張力之間的關系服從楊氏（氏（Young）方程。）方程。cosLGLSSGLGLSSG-cos為表面張力與固液界面的夾角，即潤濕角為表面張力與固液界面的夾角，即潤濕角(Wetting Angle) 潤濕角潤濕角SG LG ,90潤濕潤濕 ；如水在玻璃上能鋪成一層，稱；如水在玻璃上能鋪成一層，稱為玻璃被水潤濕為玻璃被水潤濕 。 0，完全潤濕；，完全潤濕；液體在固體表面液體在固體表面鋪展成薄膜鋪展成薄膜 。 潤濕角是衡量界面張力的標志，其大小反映液相與固潤濕角是衡量界面張力的標志，其大小反映液相與固

36、相潤濕程度。相潤濕程度。SGLG ，90不潤濕；液體傾向于呈球形，稱為液不潤濕；液體傾向于呈球形，稱為液體不能潤濕固體，如水銀與陶瓷間及金屬液與體不能潤濕固體，如水銀與陶瓷間及金屬液與SiO2間。間。 180180，完全不潤濕。，完全不潤濕。不潤濕潤濕c.c.影響表面張力的因素影響表面張力的因素a)a)熔點熔點( (熔點熔點界面張力界面張力）；）；c.c.影響表面張力的因素影響表面張力的因素b)b)溫度溫度( (除鑄鐵，碳鋼，銅及其合金外，溫度除鑄鐵，碳鋼，銅及其合金外，溫度表面表面張力張力 ；c)c)溶質溶質 表面活性元素表面活性元素：降低表面能，正吸附；非表面活性：降低表面能，正吸附；非表

37、面活性元素：增大表面能，負吸附）元素：增大表面能，負吸附） 表面活性元素的作用：接近熔點時富集于液態(tài)表面，表面活性元素的作用：接近熔點時富集于液態(tài)表面，起凈化金屬液的作用。起凈化金屬液的作用。d.d.表面張力引起的附加壓力表面張力引起的附加壓力用一根玻璃管吹一個肥皂泡，用一根玻璃管吹一個肥皂泡，若將管口堵住若將管口堵住肥皂泡可以長時間存在肥皂泡可以長時間存在若不堵住管口若不堵住管口肥皂泡將會不斷縮小，很快聚成一個液肥皂泡將會不斷縮小，很快聚成一個液 滴。滴。WHY?現(xiàn)象說明，只要液面不是平的，則其內外壓力不同。現(xiàn)象說明，只要液面不是平的，則其內外壓力不同。因為氣泡是一個彎曲液面，液體的表面張力

38、迫使液面向因為氣泡是一個彎曲液面，液體的表面張力迫使液面向 內收內收縮，產(chǎn)生一種額外的壓力，這個額外的壓力叫做附加縮，產(chǎn)生一種額外的壓力，這個額外的壓力叫做附加 壓力。壓力。要使氣泡穩(wěn)定，氣泡內除了要有壓力對抗大氣壓外，還必要使氣泡穩(wěn)定，氣泡內除了要有壓力對抗大氣壓外，還必 須須有一個大小相等的壓力和附加壓力抗衡，所以氣泡內的有一個大小相等的壓力和附加壓力抗衡，所以氣泡內的 壓力必壓力必須大于外壓。須大于外壓。附加壓力的大小和液面的曲率半徑有關。附加壓力的大小和液面的曲率半徑有關。PgP1PgP1PgP1LG圖圖1-13彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力(a) 水平液面 (b) 凸液面 (c

39、) 凹液面rrFPLG221r1/r2界面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑界面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑當為球狀時當為球狀時21rrPLGe.e.毛細現(xiàn)象毛細現(xiàn)象在日常生活中常見到玻璃毛細管插入水中或油中，管內液面在日常生活中常見到玻璃毛細管插入水中或油中，管內液面將上升或下降，這種具有細微縫隙的固體與液體接觸時，液將上升或下降，這種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)象稱為毛細現(xiàn)象。體沿縫隙上升或下降的現(xiàn)象稱為毛細現(xiàn)象。圖圖1-141-14毛細管現(xiàn)象毛細管現(xiàn)象 當液柱高度不再變化時，上升當液柱高度不再變化時，上升液柱產(chǎn)生的靜壓力與附加壓力的數(shù)液柱產(chǎn)生的靜壓力與附加壓力的數(shù)值

40、相等。值相等。 即即ghrPLG12為液體密度；為液體密度；g為重力加速度；為重力加速度；r1為毛為毛細管半徑；細管半徑；h為液面上升高度為液面上升高度 在一定溫度下，毛細管的半徑在一定溫度下，毛細管的半徑r愈小，液體對管愈小，液體對管壁的潤濕愈好，液體在毛細管中上升的愈高。壁的潤濕愈好，液體在毛細管中上升的愈高。 當液體不能潤濕管壁時，上式也能適用，此時，當液體不能潤濕管壁時，上式也能適用，此時，管中形成凸液面，管中形成凸液面，h為負值，毛細管內液面低于管外為負值，毛細管內液面低于管外液面，即毛細管中液面下降。液面，即毛細管中液面下降。ghLGcos2f.表面張力在材料成形中的作用和意義表面

41、張力在材料成形中的作用和意義 (a) (a) 表面張力對粘砂和充填最小直徑的影響表面張力對粘砂和充填最小直徑的影響 在砂型鑄造過程中，金屬液是否滲入砂型毛細管（砂粒與砂粒間在砂型鑄造過程中，金屬液是否滲入砂型毛細管（砂粒與砂粒間的孔隙）而使鑄件產(chǎn)生機械粘砂，與金屬液和砂型是否潤濕及表面張的孔隙）而使鑄件產(chǎn)生機械粘砂，與金屬液和砂型是否潤濕及表面張力引起的附加壓力的大小有關。力引起的附加壓力的大小有關。 根據(jù)上式可計算出形成機械粘砂的毛細管臨界半徑（與型砂的根據(jù)上式可計算出形成機械粘砂的毛細管臨界半徑（與型砂的粗細有關）粗細有關） 。crghrLGc2 冶煉正常的合金液，不潤冶煉正常的合金液，不

42、潤濕型壁，有助于防止機械粘沙。濕型壁，有助于防止機械粘沙。但對于薄壁，棱角處，需要克但對于薄壁，棱角處，需要克服附加壓頭。服附加壓頭。圖圖1-15不潤濕時管中液面情況不潤濕時管中液面情況RgrhLGcos2只有滿足附加壓頭：只有滿足附加壓頭：Hh時，鑄型中的時，鑄型中的細薄部位才能充滿。細薄部位才能充滿。(b) (b) 表面張力對液態(tài)金屬凈化的影響表面張力對液態(tài)金屬凈化的影響 夾雜能夠被氣泡粘附而上浮，必須滿足的熱力學條件夾雜能夠被氣泡粘附而上浮，必須滿足的熱力學條件為為： 0GSLGLS液體與夾雜間的界面張力液體與夾雜間的界面張力 液體的表面張力液體的表面張力 夾雜的表面張力夾雜的表面張力

43、0MSSLMLAW熔劑與熔體間的界面張力熔劑與熔體間的界面張力 熔體與夾雜間的界面張力熔體與夾雜間的界面張力 熔劑與夾雜的界面張力熔劑與夾雜的界面張力 用熔劑精煉法去除夾雜時，首先要求熔劑對夾雜具有粘附能力用熔劑精煉法去除夾雜時，首先要求熔劑對夾雜具有粘附能力0AWAW越大，對熔劑吸附夾雜越有利越大，對熔劑吸附夾雜越有利 。熔劑的精煉能力熔劑的精煉能力 選擇熔劑的依據(jù)選擇熔劑的依據(jù) 熔劑是否易于與熔體分離可用下式判斷：熔劑是否易于與熔體分離可用下式判斷： MLMGLGAW熔體的表面張力熔體的表面張力 熔劑的表面張力熔劑的表面張力 熔劑與熔體的界面張力熔劑與熔體的界面張力 越小，熔劑越易與熔體分

44、離。因此選擇熔劑越小，熔劑越易與熔體分離。因此選擇熔劑時，應當使其與合金的界面張力盡量大，而其本身的時，應當使其與合金的界面張力盡量大，而其本身的表面張力應盡量小。表面張力應盡量小。AW表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應用表面張力在鋁合金溶劑法精煉中的應用表表面面張張力力在在鋁鋁合

45、合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金表表面面張張力力在在鋁鋁合合金金(c) (c) 表面張力對熔化焊中熔滴過渡的影響表面張力對熔化焊中熔滴過渡的影響 在熔化極電弧焊時，顆粒狀熔滴在熔化極電弧焊時，顆粒狀熔滴欲從焊絲或焊條端部向熔池中過渡，欲從焊絲或焊條端部向熔池中過渡，必須先形成細頸，而后細頸拉斷完成必須先形成細頸，而后細頸拉斷完成熔滴過渡。熔滴過渡。圖圖1-16 熔滴過渡熔滴過渡 表面張力較小的熔滴，形成細表面張力較小的熔滴，形成細頸時的阻力小，熔滴顆粒減小，使頸時的阻力小，熔滴顆粒減小，使得熔滴過渡頻率提高，電弧穩(wěn)定性得熔滴過渡頻率提高，電弧穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生飛濺。較好，不易產(chǎn)生飛濺。

46、 (d) (d) 表面張力對復合材料制備的影響表面張力對復合材料制備的影響 在金屬基復合材料制造過程中的主要困難就是在金屬基復合材料制造過程中的主要困難就是液態(tài)金屬對增強體的不潤濕本性。液態(tài)金屬對增強體的不潤濕本性。 在在陶瓷顆?；蚶w維表面進行陶瓷顆粒或纖維表面進行涂覆涂覆處理處理、向金屬熔、向金屬熔體中添加表面活性元素、機械攪拌、對陶瓷顆粒或纖體中添加表面活性元素、機械攪拌、對陶瓷顆?；蚶w維表面進行超聲波處理等方法均可以維表面進行超聲波處理等方法均可以改善熔融金屬對改善熔融金屬對增強體的潤濕性增強體的潤濕性，從而提高復合材料的力學性能。，從而提高復合材料的力學性能。 三、液態(tài)金屬的遺傳性三、液態(tài)金屬的遺傳性 法法國鑄造工業(yè)技術中心的國鑄造工業(yè)技術中心的J.C.Margerie在在1974