液態(tài)金屬性質(zhì)

1.1液態(tài)金屬基本理論

1.1.1液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

金屬和合金材料的加工制備過程？

配料、熔化和凝固成型三個(gè)階段。

配料是確定具有某些元素的各金屬爐料的加入百分?jǐn)?shù)；

熔煉是把固態(tài)爐料熔化成具有確定成分的液態(tài)金屬；

凝固是金屬由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程，它決定著金屬材料的微觀組織特征。

??液相成型第1頁/共28頁第一頁，共29頁。固態(tài)金屬

按原子聚集形態(tài)分為晶體與非晶體。晶體凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。單晶體在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體多晶體大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。第2頁/共28頁第二頁，共29頁。

在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點(diǎn)上，其振動(dòng)頻率約為1013

次/s。液態(tài)金屬？液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時(shí)一樣，均不能自由運(yùn)動(dòng)，圍繞著平衡結(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行振動(dòng)

但振動(dòng)的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬倍。液態(tài)金屬宏觀上呈正電性，具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱和流動(dòng)性。??液相結(jié)構(gòu)？第3頁/共28頁第三頁，共29頁。1.物理性質(zhì)變化體積只膨脹3～5％，即原子間距平均只增大1～1.5％熔化潛熱只占?xì)饣瘽摕岬?～7％見表1

這就可以認(rèn)為金屬由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，原子結(jié)合鍵只破壞一個(gè)很小的百分?jǐn)?shù)，只不過它的熔化熵相對(duì)于固態(tài)時(shí)的熵值有較多的增加，表明液態(tài)中原子熱運(yùn)動(dòng)的混亂程度，與固態(tài)相比有所增大。

比熱容，與固態(tài)相比雖然稍大一些，但具有相同的數(shù)量級(jí)。第4頁/共28頁第四頁，共29頁。表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱第5頁/共28頁第五頁，共29頁。

固體可以是非晶體也可以是晶體，而液態(tài)金屬則幾乎總是非晶體。

液態(tài)金屬在結(jié)構(gòu)上更象固態(tài)而不是汽態(tài)，原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。第6頁/共28頁第六頁，共29頁。X射線衍射分析

圖1-1是由X射線衍射結(jié)果整理而得的原子密度分布曲線。

橫坐標(biāo)r為觀測點(diǎn)至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對(duì)于三維空間，它相當(dāng)于以所選原子為球心的一系列球體的半徑。

縱坐標(biāo)表示當(dāng)半徑增減一個(gè)單位長度時(shí)，球體（球殼）內(nèi)原子個(gè)數(shù)的變化值，其中（r）稱為密度函數(shù)。第7頁/共28頁第七頁，共29頁。

固態(tài)金屬原子在某一平衡位置熱振動(dòng)因此衍射結(jié)果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點(diǎn)陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值，與所選原子最近的球面上的峰值便是它的配位數(shù)。但對(duì)于液態(tài)金屬而言，原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于當(dāng)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬變的熱振動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒有固定的位置，而其峰值所對(duì)應(yīng)的位置（r）只是表示衍射過程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。第8頁/共28頁第八頁，共29頁。圖1-1700℃液態(tài)鋁中原子密度分布線第9頁/共28頁第九頁，共29頁?？梢娨簯B(tài)原子分布曲線是介于曲線與固態(tài)時(shí)的分布曲線（豎直線）之間作波浪形的變化。其第一峰值與固態(tài)時(shí)的衍射線（第一條垂線）極為接近，其配位數(shù)與固態(tài)時(shí)相當(dāng)。第二峰值雖仍較明顯，但與固態(tài)時(shí)的峰值偏離增大，而且隨著r的增大，峰值與固態(tài)時(shí)的偏離也越來越大。當(dāng)它與所選原子相距太遠(yuǎn)的距離時(shí),原子排列進(jìn)入無序狀態(tài)。表明，液態(tài)金屬中的原子在幾個(gè)原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài)時(shí)的有序排列相近，只不過由于原子間距的增大和空穴的增多，原子配位數(shù)稍有變化。第10頁/共28頁第十頁，共29頁。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征液態(tài)金屬內(nèi)存在近程有序的原子集團(tuán)（圖1-2）。這種原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時(shí)出現(xiàn)又瞬時(shí)消失。所以，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

◆液態(tài)金屬是由游動(dòng)的原子團(tuán)構(gòu)成。

◆液態(tài)金屬中的原子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息萬變，這種原子間能量的不均勻性，稱為能量起伏。

◆由于液態(tài)原子處于能量起伏之中，原子團(tuán)是時(shí)聚時(shí)散，時(shí)大時(shí)小，此起彼伏的，稱為結(jié)構(gòu)起伏。第11頁/共28頁第十一頁，共29頁。

4）對(duì)于多元素液態(tài)金屬而言，同一種元素在不同原子團(tuán)中的分布量不同，也隨著原子的熱運(yùn)動(dòng)瞬息萬變，這種現(xiàn)象稱為成分起伏。

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝團(tuán)過程，實(shí)質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程，從這個(gè)意義上理解，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬于結(jié)晶過程。金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶；金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶。

第12頁/共28頁第十二頁，共29頁。圖1-2液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖

第13頁/共28頁第十三頁，共29頁。1.1.2粘度理論

液態(tài)金屬是有粘性的流體。流體在層流流動(dòng)狀態(tài)下，流體中的所有液層按平行方向運(yùn)動(dòng)。在層界面上的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)另一層界面上的質(zhì)點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力。當(dāng)相距1cm的兩個(gè)平行液層間產(chǎn)生1cm/s的相對(duì)速度時(shí)，在界面1cm2面積上產(chǎn)生的摩擦力，稱為粘滯系數(shù)或粘度。粘度的單位是Pa·s。粘度的導(dǎo)數(shù)叫流體的流動(dòng)性。

粘度的物理本質(zhì)是原子間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力。

第14頁/共28頁第十四頁，共29頁。

牛頓液體粘滯定律F(x)=dv/dy與面積無關(guān)F(x)=ηAdv/dyη—?jiǎng)恿φ扯认禂?shù)（m2/N.S）μ=η/ρ運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)(m2/s)第15頁/共28頁第十五頁，共29頁。

影響粘度的因素

溫度化學(xué)成分非金屬夾雜物粘度對(duì)材料成型的影響

影響液態(tài)金屬的流態(tài)影響液態(tài)金屬的對(duì)流影響液態(tài)金屬的凈化第16頁/共28頁第十六頁，共29頁。

1.1.3表面和界面張力

表面和界面張力是液態(tài)金屬的第二重要性質(zhì)。

A、表面張力和表面能

表面張力：在液體表面內(nèi)產(chǎn)生的平行于液體表面、且各向均等的張力，稱之為表面張力。

表面張力是氣/液界面現(xiàn)象，它的的大小與液相和氣相的性質(zhì)有關(guān)。

產(chǎn)生張力的表面層厚度不超過10-7cm，相當(dāng)于幾個(gè)原子(分子)液層厚度。第17頁/共28頁第十七頁，共29頁。

表面張力：

使液體趨于球狀的力表面張力引起的附加壓力

p=2σ/r——球狀

p=(1/r1+1/r2)σ——任意形狀第18頁/共28頁第十八頁，共29頁。

由此可見，表面張力是表面S內(nèi)垂直F方向的單位長度上的拉緊力；

也是增加單位表面積dA外力所做的可逆功，稱之為表面能。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10-1N/m，則表面能為10-1J/m2。

第19頁/共28頁第十九頁，共29頁。由相關(guān)熱力學(xué)公式可得：

此式表明，表面張力就是單位面積上的自由能。式中負(fù)號(hào)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(duì)單位表面所作的功。

第20頁/共28頁第二十頁，共29頁。B、界面張力和界面能

界面張力和界面自由能與表面張力和表面自由能相似。

界面與表面的差別：

界面泛指兩相之間的交界面；

表面專指液體或固體與氣體之間的界面，

確切的說，是指液體或固體在真空下的表面。引起表面張力與界面張力的原因？？表面張力與界面張力都是由于物體在表面或界面上的質(zhì)點(diǎn)受力不平衡所引起的。

第21頁/共28頁第二十一頁，共29頁。

當(dāng)固相表面有液相和氣相時(shí)，發(fā)生界面現(xiàn)象如圖1－8(a)所示。當(dāng)液相與固相的接觸時(shí)，三個(gè)界面張力的平衡情況見圖1－8(b)所示。平衡時(shí)水平分量的平衡關(guān)系為：

式中SG—固相/氣相界面張力；

LS—液相/固相界面張力；

LG—液相/氣象界面張力。

第22頁/共28頁第二十二頁，共29頁。圖1－8同時(shí)與固相和氣相接觸的球冠形液相的

界面張力的平衡情況

第23頁/共28頁第二十三頁，共29頁。

影響表面張力的因素：

1.溫度

2.溶質(zhì)：dσ/dc<0表面活性元素

dσ/dc>0非表面活性元素

液固界面現(xiàn)象

1.潤濕

2.不潤濕

3.楊氏方程：第24頁/共28頁第二十四頁，共29頁。稱為楊氏方程式，→→接觸角θ的值與各界面張力的相對(duì)值有關(guān)。1）σSG>σLS時(shí)，cosθ為正值，即θ<90°稱為液體能潤濕固體。θ=0°時(shí)，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱為完全潤濕。2）σSG<σLS時(shí)，cosθ為負(fù)值，即θ>90°，液體傾向于形成球狀，稱為液體不能潤濕固體。θ=180°為完全不潤濕。所以θ角又稱為潤濕角。轉(zhuǎn)換公式得:第25頁/共28頁第二十五頁，共29頁。液態(tài)金屬充填鑄型

第26頁/共28頁第二十六頁，共29頁。1.1.4流動(dòng)性與充型能力

流動(dòng)性：液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力。

充型能力：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。

影響充型能力的因素：金屬、鑄型、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)

流動(dòng)性測量：螺旋試樣停止流動(dòng)機(jī)理：第27頁/共28頁第二十七頁