液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)第1頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、前言一、鑄造的概念和特點(diǎn)

鑄造是一種用液態(tài)金屬生產(chǎn)制品的工藝方法。將金屬熔化，成為具有良好流動(dòng)性的液態(tài)，在重力場(chǎng)或其它力(壓力、離心力、電磁力等)作用下充滿鑄型，經(jīng)凝固和冷卻成為具有鑄型型腔形狀的制品，所鑄出的金屬制品稱為鑄件。絕大多數(shù)鑄件用作毛坯，需經(jīng)機(jī)械加工才能成為各種機(jī)器零件。但是，隨著少余量和無(wú)余量鑄造方法的發(fā)展，有許多鑄件無(wú)需機(jī)械加工即可滿足使用精度和粗極度的要求而直接應(yīng)用。如失蠟鑄造（精密鑄造）、消失模鑄造、壓力鑄造等第2頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六配料（固態(tài)金屬原料）熔煉液態(tài)金屬澆入鑄型冷卻脫模、清理合格的毛坯或鑄件（固態(tài)金屬）沖天爐感應(yīng)電爐電弧爐滿足成分、溫度等砂型金屬型消失模模殼零件材質(zhì)零件圖鑄件圖鑄造工藝設(shè)計(jì)制模、制芯鑄型準(zhǔn)備鑄造過(guò)程流程示意圖第3頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、鑄造的概念和特點(diǎn)鑄造的特點(diǎn)1適應(yīng)性強(qiáng)能鑄造小至幾克，大至數(shù)百噸；壁厚從0.2mm至1m；長(zhǎng)度從幾毫米至十幾米；形狀從簡(jiǎn)單至任意復(fù)雜的鑄件。也就是說(shuō)，鑄造不受尺寸大小、形狀復(fù)雜程度的限制。就金屬種類而言它適用于各種合金，如常用的鐵碳合金(鑄鐵、鑄鋼)、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金、鈦合金以及各種難熔合金等2可以利用某些合金的特性對(duì)于脆性金屬或合金，鑄造是唯一可行的加工方法。因此，可以利用某些合金的特性，如鑄鐵的切削性、振動(dòng)吸收性、耐熱性、耐磨性；高錳鋼的耐磨性等，生產(chǎn)鑄件滿足使用要求。第4頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六一、鑄造的概念和特點(diǎn)3尺寸精度高一般情況下，鑄件比鍛件、焊接件的尺寸精確，更接近于零件的尺寸，可節(jié)約大量的金屬材料和機(jī)械加工工時(shí)。4成本低鑄件在一般機(jī)器中占40－80％的重量，而成本只占機(jī)器總成本的25－30％。成本低的原因是：1)容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)；2)可大量使用廢舊金屬料；3)與鍛造相比動(dòng)力消耗少；4)尺寸精度高，加工余量小，節(jié)約加工工時(shí)。5、缺點(diǎn)（1）鑄件尺寸均一性差；（2）與壓力加工和粉末冶金相比金屬的利用率低；（3）內(nèi)在質(zhì)量比鍛件差；（4）工作環(huán)境粉塵多、溫度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低等第5頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、我國(guó)鑄造技術(shù)的發(fā)展我國(guó)鑄造技術(shù)已有5000年的悠久歷史鑄造技術(shù)的成就推動(dòng)了農(nóng)業(yè)、兵器制造、天文、醫(yī)藥、音樂(lè)、藝術(shù)等方面的進(jìn)步人類進(jìn)化的過(guò)程分三個(gè)階段：石器時(shí)代（經(jīng)歷300萬(wàn)年）、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代5000年的鑄造技術(shù)史大致可分兩個(gè)大的發(fā)展階段：前2000余年以青銅鑄造為主，發(fā)展冶鑄技術(shù)；后2000余年以鑄鐵為主，推動(dòng)了鑄造技術(shù)的發(fā)展第6頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，距今2400余年），鐘架長(zhǎng)7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場(chǎng)。第7頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六巧奪天工的曾侯乙尊盤(pán)。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠(yuǎn)處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細(xì)長(zhǎng)的盤(pán)龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的“冰箱”——曾侯乙冰鑒第8頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六明永樂(lè)大鐘，鑄于永樂(lè)18年前后（公元1418～1422年），中國(guó)現(xiàn)存最大的青銅鐘。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬(wàn)字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造?，F(xiàn)存北京大鐘寺。第9頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六中國(guó)五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城開(kāi)元寺前。五代后周廣順三年（953）鑄，獅身左肋鑄有“山東李云造”五字。鐵獅身長(zhǎng)5.3米，高5.4米，寬3米，重約40噸，采用泥范明注式整體鑄成。獅身鑄有“獅子王”字樣，背馱蓮座，前胸及臀部飾束帶，發(fā)鬈曲呈波浪形，形態(tài)威武，作奔走狀。第10頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六滄州鐵獅的歷史照片第11頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六湖北當(dāng)陽(yáng)鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三層，高16.945米,據(jù)銘文記載的鐵塔重七萬(wàn)六千六百斤,當(dāng)時(shí)是就地設(shè)爐分層鑄造,采用堆土法而建起來(lái),各層之間重疊擺放,沒(méi)有焊接,整個(gè)塔身玲瓏雋秀,從上到下,自里而外全生鐵澆鑄,僅塔剎在清代以青銅重鑄.第12頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六江蘇吉鑫風(fēng)能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無(wú)冒口鑄造工藝，可耐-40℃低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。第13頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六三峽700MW水輪機(jī)組配套的大型水輪機(jī)葉片在力學(xué)性能、表面質(zhì)量等方面均達(dá)世界一流水平

第14頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3、鑄造在金屬加工領(lǐng)域中的地位

鑄造生產(chǎn)是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯的主要方法之一，是機(jī)械制造工業(yè)的重要基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占著相當(dāng)重要的位置。在許多機(jī)械中，鑄件重量占整機(jī)重量的比例很高，內(nèi)燃機(jī)80%，拖拉機(jī)65%-80%，液壓件、泵類機(jī)械50%-60%。作為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)正在大力發(fā)展的汽車(chē)工業(yè)，其心臟部分——發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，如缸體、缸蓋、曲軸、缸套、活塞、進(jìn)氣管、排氣管等八大件幾乎全部由鑄造成而成；冶金、礦山、電站等重大關(guān)鍵設(shè)備需求優(yōu)質(zhì)的重大型鑄件；另外國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活也需要大量鑄件，輸水（氣）管道則需要各種尺寸的高韌性球墨鑄鐵管。

第15頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六中國(guó)和美國(guó)1996～2001年鑄件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）主要發(fā)達(dá)國(guó)家1996～2001年鑄件產(chǎn)量（萬(wàn)噸）2008年世界鑄件總產(chǎn)量為9345萬(wàn)噸，中國(guó)為1700萬(wàn)噸。其中主要鑄件生產(chǎn)國(guó)美國(guó)、日本、印度均下降。第16頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4、發(fā)展趨勢(shì)（1）鑄造合金結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，增加高附加值產(chǎn)品

球墨鑄鐵、等溫淬火球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵在機(jī)械產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，不斷提高高性能鋁合金鑄件、鎂合金鑄件、鎳合金鑄件，鈦合金鑄件的用量（2009年，我國(guó)有色金屬鑄件總產(chǎn)量達(dá)到335萬(wàn)t，占當(dāng)年鑄件總產(chǎn)量的9.5%）。（2）鑄造裝備升級(jí)

大容量、專業(yè)化、高精度、節(jié)能、環(huán)保、低噪音方向發(fā)展

（3）企業(yè)上規(guī)模、上檔次、重環(huán)保，演繹可持續(xù)發(fā)展

第17頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六中國(guó)鑄造模具之鄉(xiāng)——浙江象山

模具是象山縣的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)行業(yè)，全縣有模具生產(chǎn)企業(yè)271家，從業(yè)人員8000余人。經(jīng)過(guò)30年的艱苦創(chuàng)業(yè)，已經(jīng)成為名副其實(shí)的鑄造模具的生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，象山的鑄造模具已經(jīng)占據(jù)了全國(guó)60%以上的市場(chǎng)份額，年總產(chǎn)值超過(guò)11.5億元，利稅2.4億元。

中國(guó)壓鑄產(chǎn)業(yè)基地——浙江寧?？h

寧?？h有壓鑄生產(chǎn)企業(yè)有300多家，呈現(xiàn)以下四大特點(diǎn)：一是產(chǎn)業(yè)配套一條龍；二是機(jī)械修理有特色；三是檢測(cè)設(shè)備上檔次；四是企業(yè)管理上臺(tái)階；寧海致力將自身打造成為一流的中國(guó)壓鑄產(chǎn)業(yè)基地，計(jì)劃建設(shè)檢測(cè)中心、物流中心、技術(shù)研發(fā)中心等三大中心，形成新的現(xiàn)代化壓鑄產(chǎn)業(yè)園，到2015年，力爭(zhēng)壓鑄行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到150億元。中國(guó)鑄造之鄉(xiāng)——章丘

章丘共有鑄造企業(yè)126家，資產(chǎn)總額已超過(guò)50億元，年生產(chǎn)能力90萬(wàn)t，主要生產(chǎn)重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)、汽車(chē)排氣管、摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)殼、羅茨鼓風(fēng)機(jī)殼、鐵路配件、炊具、鑄造材料等產(chǎn)品。其中，重卡發(fā)動(dòng)機(jī)鑄件產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的30%，重卡排氣管鑄件產(chǎn)量占全國(guó)的40%。經(jīng)過(guò)近幾年的優(yōu)化提升，已發(fā)展成為全省重要的鑄造基地。

耐磨鑄件生產(chǎn)、研發(fā)和出口基地——安徽寧國(guó)

寧國(guó)耐磨鑄件年生產(chǎn)能力達(dá)到80萬(wàn)t，從業(yè)人員近萬(wàn)人，2009年全市耐磨鑄件產(chǎn)值達(dá)到41億元，耐磨鑄件產(chǎn)量占全國(guó)份額近21%。

第18頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)東北大學(xué)秦皇島分?！畈牧峡茖W(xué)與工程系☆材料成形原理

林曉娉教授第19頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六本章主要內(nèi)容：

1、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

2、液態(tài)金屬的性質(zhì)

3、液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力

人類對(duì)液態(tài)的認(rèn)識(shí)比固態(tài)和氣態(tài)要膚淺得多，目前仍沒(méi)有成熟的理論模型給予液體結(jié)構(gòu)滿意的描述但人類對(duì)液體的研究從未間斷，取得了許多矚目的階段性成就，特別是近二十多年來(lái)對(duì)液體結(jié)構(gòu)的研究有了許多新的突破。第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第20頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.2金屬的加熱膨脹

物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子之間存在著相互作用力，即庫(kù)侖引力和庫(kù)侖斥力，如圖1-1所示。當(dāng)原子間的距離為R0時(shí)，原子受到的引力與斥力相等，處于平衡狀態(tài)，而向左和向右運(yùn)動(dòng)都會(huì)受到一個(gè)指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附近做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，維持晶體的固定結(jié)構(gòu)。

圖1-1原子間的作用力第21頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.2金屬的加熱膨脹當(dāng)溫度升高時(shí)，原子振動(dòng)能量增加，振動(dòng)頻率和振幅增大。以雙原子模型為例，假設(shè)左邊的原子被固定不動(dòng)而右邊的原子是自由的。則隨著溫度的升高，原子間距將由R0→R1→R2→R3→R4；原子的能量也不斷升高，由W0→W1→W2→W3→W4。原子間距隨溫度升高而增加，即產(chǎn)生膨脹，如圖1-2所示。膨脹只改變?cè)拥拈g距，并不改變?cè)优帕械南鄬?duì)位置。

圖1-2加熱時(shí)原子間距和原子勢(shì)壘的變化第22頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.3金屬的熔化若對(duì)晶體進(jìn)一步加熱，達(dá)到激活能值的原子數(shù)量進(jìn)一步增加。首先，在晶界處的原子跨越勢(shì)壘而處于激活狀態(tài)；當(dāng)這些原子的數(shù)量達(dá)到某一數(shù)量值時(shí)，以致一些原子能脫離晶粒的表面，向鄰近的晶粒跳躍，導(dǎo)致原有晶粒失去固定的形狀與尺寸。晶粒間可出現(xiàn)相對(duì)流動(dòng)，稱為晶界流動(dòng)。此時(shí)，金屬處于熔化狀態(tài)。金屬被進(jìn)一步加熱，其溫度不會(huì)進(jìn)一步升高，而是晶粒表面原子跳躍更頻繁。晶粒進(jìn)一步瓦解成小的原子集團(tuán)和游離原子，形成時(shí)而集中、時(shí)而分散的原子集團(tuán)、游離原子和空穴。此時(shí)，金屬?gòu)墓虘B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。金屬由固態(tài)變成液態(tài)，體積膨脹約3%~5％。而且，金屬的其它性質(zhì)，如電阻、粘性也會(huì)發(fā)生突變。金屬由固態(tài)變成液態(tài)過(guò)程中，在完全熔化前溫度維持不變，這時(shí)的溫度稱為金屬的熔點(diǎn)。金屬在熔點(diǎn)溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)時(shí)，要吸收大量的熱量，稱為熔化潛熱。實(shí)驗(yàn)證明，金屬的熔化是從晶界開(kāi)始的。第23頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.1固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化1.1.3金屬的熔化固態(tài)金屬的加熱熔化完全符合熱力學(xué)條件。外界提供的熱能，除因原子間距增大、體積膨脹而做功外，還增加體系的內(nèi)能。在恒壓下存在如下關(guān)系式

Eq=d(U-PV)=dU-pdv=dH(1-1)式中，Eq為外界提供的熱能；U為內(nèi)能；pdV為膨脹功；dH為熱焓的變化即熔化潛熱。在等溫等壓下，由式(1-1)得熔化時(shí)熵值的變化為

(1-2)dS值的大小描述了金屬由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，原子由規(guī)則排列變成非規(guī)則排列的紊亂程度。

第24頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)分析(表觀特征)下一內(nèi)容回主目錄㊣具有流動(dòng)性（液體最顯著的性質(zhì)）；㊣可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀（類似于氣體，不同于固體）；㊣不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力，表明液體的原子或分子之間的結(jié)合力沒(méi)有固體中強(qiáng)

（類似于氣體，不同于固體）；㊣具有自由表面（類似于固體，不同于氣體）；㊣液體可壓縮性很低（類似于固體，不同于氣體）。表觀特征第25頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六液體結(jié)構(gòu)→液體性質(zhì)

物理性質(zhì)：密度、黏度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱熔、等容熱熔、熔化和汽化潛熱、表面張力等熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)等液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究方法

間接方法：即通過(guò)固態(tài)→液態(tài)、固態(tài)→氣態(tài)裝變后一些物理性質(zhì)的變化判斷液態(tài)原子結(jié)合狀況；

直接方法：X射線衍射分析，研究液態(tài)金屬的原子排列情況.第26頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.1從物質(zhì)熔化過(guò)程對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)對(duì)比研究㊣體積和熵值的變化

表1-1某些金屬的熵值變化。固體變氣體時(shí)體積是無(wú)限膨脹。物質(zhì)熔化時(shí)體積變化﹑熵變(及焓變)一般均不大：金屬熔化時(shí)典型的體積變化（多為增大）為3~５%左右。表明液體的原子間距接近于固體，在熔點(diǎn)附近其系統(tǒng)混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體。㊣熔化潛熱和氣化潛熱表1-2為某些金屬的熔化潛熱和汽化潛熱。一般熔化潛熱只有汽氣化潛熱的3~7%,固→液原子的結(jié)合鍵破壞有限,液態(tài)和固態(tài)的結(jié)構(gòu)是相似的。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄圖第27頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.2X射線衍射對(duì)液態(tài)結(jié)構(gòu)分析

液態(tài)與固態(tài)、氣態(tài)結(jié)構(gòu)比較及衍射特征晶體：平移、對(duì)稱特征（長(zhǎng)程有序）——原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)原子以某種模式在平衡位置上做熱振動(dòng)。氣體：完全無(wú)序?yàn)樘卣鳌肿硬煌５淖鳠o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。液態(tài)：？液態(tài)金（Au）的X射線衍射圖像-----顯示出一個(gè)漫射的衍射環(huán)，這說(shuō)明在液態(tài)金中存在一些紊亂分布的原子，造成對(duì)X射線的散射。固態(tài)金（Au）的X射線衍射圖像------為分布規(guī)則的亮斑（點(diǎn)），顯示出了從特點(diǎn)晶面反射相一致的衍射斑。第28頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（1）比較液態(tài)金---固態(tài)金的X射線衍射強(qiáng)度

由圖可知，圖中液態(tài)金有兩個(gè)明顯的強(qiáng)度突峰，他們和固體金的衍射強(qiáng)度位置一致。（2）液態(tài)金的徑向分布密度（偶分布函數(shù)）偶分布函數(shù)g(r)的物理意義：離開(kāi)參考原子（處于坐標(biāo)原點(diǎn)r=0）距離為r位置的數(shù)密度ρ（r）對(duì)于平均數(shù)密度ρ0(=N/V)的相對(duì)偏差。ρ（r）=ρ0g(r)

第29頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六當(dāng)ｒ（距參考原子的距離）小于原子半徑，由于原子斥力，使ρ（γ）=0當(dāng)ｒ（距參考原子的距離）較大（Ｒ→∞，ρ(r)→ρ０（液態(tài)金的容積密度，表示較大體積中，原子的平均密度，相當(dāng)于非晶態(tài)）。這說(shuō)明，在近距離范圍內(nèi)，液態(tài)原子的排列位置與固態(tài)相似；而在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)就缺乏有序排列了。平均原子間距：對(duì)液態(tài)，對(duì)應(yīng)于g(r)第一峰的位置，r=r1表示參考原子至其周?chē)谝慌鋵痈髟拥钠骄娱g距。第30頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六利用X射線衍射資料繪制圖像

得出等同配排列（等同距離）殼層中的實(shí)際原子數(shù)目----（配位數(shù)）參考原子rdr----為至所選定原子的距離。從三維空間說(shuō)，相當(dāng)于一所選定原子為中心的一系列球體的半徑。----密度函數(shù)

-----表示圍繞所選定原子的半徑為r,厚度為dr的一層球殼層中的原子數(shù)的多少。第一個(gè)等同配位殼層中的原子數(shù)目實(shí)際上就是液態(tài)金屬的配位數(shù)。配位數(shù)=

為一個(gè)單峰的外推邊界r1

r2第31頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六液態(tài)鋁的徑向密度

右圖為700℃時(shí)液態(tài)Al中原子分布曲線。

柱狀線表示固態(tài)Al中原子的分布規(guī)律。固態(tài)鋁中的原子位置是固定的，在平衡位置附近作熱振動(dòng)，故球殼上的原子數(shù)顯示出是某一固定的數(shù)值，呈現(xiàn)一條條的柱狀線。每一條柱狀線都有明確的位置和高度值(原子數(shù))。若700℃液體鋁是理想的均勻非晶態(tài)液體，則其原子分布為拋物線。實(shí)際的700℃液體鋁的原子分布為一條有多個(gè)峰谷的曲線，是連續(xù)非間斷的。曲線的第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值接近固態(tài)時(shí)柱狀線的高度值(原子數(shù))，此后就接近于理想液體的原子平均密度分布曲線了。這說(shuō)明原子已無(wú)固定的位置，是瞬息萬(wàn)變的。液態(tài)鋁中原子的排列在幾個(gè)原子間距的范圍內(nèi)，與固態(tài)鋁原子的排列方式基本一致，而遠(yuǎn)離選定原子后就完全不同于固態(tài)了。

圖1-3700℃時(shí)液態(tài)Al中原子分布曲線1-實(shí)際液態(tài)鋁原子分布2-理想液態(tài)鋁原子分布3-固態(tài)鋁的原子分布第32頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六固態(tài)金屬中原子的停留時(shí)間長(zhǎng)，衍射結(jié)果將得到一條條清晰的線，每條線都有明確的位置(r)和峰值(原子數(shù))

液態(tài)金屬中除熱振動(dòng)外，尚有激烈的瞬息萬(wàn)變的跳躍，每個(gè)原子沒(méi)有固定的位置，故衍射結(jié)果為一條條帶，其峰值位置表示在衍射過(guò)程中相鄰原子間最大幾率的原子間距。由圖可見(jiàn)，液態(tài)金屬的原子分布曲線波動(dòng)于平均密度曲線4r20的上下，其第一個(gè)峰值位置和固態(tài)衍射線極為相近，其配位數(shù)也相近。第二峰尚略可見(jiàn)，而在距選定原子不太遠(yuǎn)的距離(～10埃)時(shí)它與平均密度線相重，即此處的原于排列已無(wú)序了。

這些結(jié)果說(shuō)明：液態(tài)金屬中原子的排列在幾個(gè)原于間距的范圍內(nèi)，與其固態(tài)的排列方式基本—致。但由于原子間距的增大和空穴的增多，原于的配位數(shù)略有變化(如下表)。此外還可以看到原予的熱運(yùn)動(dòng)大為增強(qiáng)。第33頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六BACK金屬液態(tài)固態(tài)溫度/℃原子間距/nm配位數(shù)原子間距/nm配位數(shù)Li4000.32410①0.3038Na100.38380.3728Al7000.29810~110.28612K700.46480.4508Zn4600.294110.265、0.2946+6②Cd3500.30680.297、0.3306+6②Sn2800.320110.302、0.3154+2②Au11000.286110.28812Bi3400.3327~8③0.309、0.3463+3②其配位數(shù)雖增大，但密度仍減小。這些原子的第一、二層近鄰原子非常相近，兩層原子都算作配位數(shù)，但以“+”號(hào)表示區(qū)別；在液態(tài)金屬中兩層合一。固態(tài)結(jié)構(gòu)較松散，熔化后密度增大。表1-3X射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)第34頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.3理想純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)由以上分析可見(jiàn)，金屬在熔化后，以及在熔點(diǎn)以上不高的溫度范圍內(nèi)，液體狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：原子間仍保持較強(qiáng)的結(jié)合能，因此原子的排列在較小距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且其平均原子間距增加不大。近程有序排列：在熔化時(shí)這種結(jié)合已受到部分破壞，因此其排列的規(guī)律性僅保持在較小的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍是由十幾個(gè)到幾百個(gè)原子組成的集團(tuán)。故固體是由許多晶粒組成的，液體則是由許多原子集團(tuán)所組成，在原子集團(tuán)內(nèi)保持固體的排列特征，而在原子集團(tuán)之間的結(jié)合處則受到很大破壞。這種僅在原子集團(tuán)內(nèi)的有序排列稱為“近程有序排列”。原子集團(tuán)處于瞬息萬(wàn)變的動(dòng)態(tài)之中：由于液體中原子熱運(yùn)動(dòng)的能量較大，其能量起伏也大，每個(gè)原子集團(tuán)內(nèi)具有較大動(dòng)能的原子則能克服鄰近原子的束縛(原于間結(jié)合所造成的勢(shì)壘)，除了在集團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的熱運(yùn)動(dòng)(產(chǎn)生空位及擴(kuò)散等)外，還能成簇地脫離原有集團(tuán)而加入到別的原子集團(tuán)中，或組成新的原子集團(tuán)。因此所有原子集團(tuán)都處于瞬息萬(wàn)變狀態(tài)，時(shí)而長(zhǎng)大，時(shí)而變小，時(shí)而產(chǎn)生，時(shí)而消失，此起被落，猶如在不停頓地游動(dòng)。原子集團(tuán)之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”。既然原子集團(tuán)是在“游動(dòng)”，同樣，“空穴”也在不停地“游動(dòng)”。這種“游動(dòng)”不是原有的原子集團(tuán)和原有的空穴在液體中各處移動(dòng)，而是此處的原子集團(tuán)和空穴在消失的同時(shí)，在另一地區(qū)又形成新的原子集團(tuán)和新的空穴。第35頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.原子集團(tuán)的平均尺寸、“游動(dòng)”速度都與溫度有關(guān)。溫度越高，則原子集團(tuán)的平均尺寸越小，“游動(dòng)”速度越快。由于能量起伏，各原子集團(tuán)的尺寸也是不同的。理想的純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)、游離原子、空穴或裂紋組成的。原子集團(tuán)由數(shù)量不等的原子組成，其大小為10-10m數(shù)量級(jí)，在此范圍內(nèi)原子排列仍具有一定的規(guī)律性，稱為“近程有序”。原子集團(tuán)間的空穴或裂紋內(nèi)分布著排列無(wú)規(guī)則的游離原子。這樣的結(jié)構(gòu)不是靜止的，而是處于瞬息萬(wàn)變的狀態(tài)，即原子集團(tuán)、空穴或裂紋的大小、形態(tài)和分布及熱運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)都處于每時(shí)每刻都在變化的狀態(tài)；液態(tài)中也存在著很大的能量起伏。由于能量起伏，液體中大量不?！坝蝿?dòng)”著的局域有序原子團(tuán)簇時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏而存在“結(jié)構(gòu)起伏”。

第36頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.4實(shí)際金屬和合金的液態(tài)結(jié)構(gòu)

實(shí)際上，上述純金屬是不存在的。實(shí)際金屬中，即使非常純，也還存在著大量的雜質(zhì)原子。如含F(xiàn)e99.999999%的純鐵(實(shí)際金屬很難達(dá)到這么高的純度)，即雜質(zhì)含量為10-8，每摩爾體積(7.1cm3)中總的原子數(shù)為6.023×1023，則每1cm3鐵液中所含雜質(zhì)原子數(shù)約相當(dāng)于1015數(shù)量級(jí)。

這些雜質(zhì)往往不只是一種，而是多種多樣的，它們?cè)谝后w中不會(huì)很均勻地分布。它們的存在方式也是不同的，有的以溶質(zhì)方式，有的與其它原子形成某些化合物(液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的夾雜物)。上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄第37頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.4實(shí)際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)當(dāng)液態(tài)金屬中存在第二組元時(shí)(如合金)

由于同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，相互結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，而把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異；而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動(dòng)在不時(shí)發(fā)生著變化。這一現(xiàn)象稱為“濃度起伏”。

比如，若同類原子間(A─A、B─B)的結(jié)合力比異類原子間(A─B)結(jié)合力大，則A─A、B─B原子易聚集在一起，而形成富A及富B的原子團(tuán)簇，在游動(dòng)原子團(tuán)簇中有的A種原子多，有的B種原子多。

A多B少A少B多第38頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.4實(shí)際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)的存在形式：（1）形成臨時(shí)的不穩(wěn)定的化合物：如果A－B原子間的結(jié)合力較強(qiáng)，則足以在液體中形成新的化學(xué)鍵，在熱運(yùn)動(dòng)的作用下，出現(xiàn)時(shí)而化合，時(shí)而分解的分子，也可稱為臨時(shí)的不穩(wěn)定化合物，或者在低溫時(shí)化合，在高溫時(shí)分解。例如，S在鐵鐵液中高溫時(shí)可以完全溶解，而在較低溫度下則可能析出FeS。（2）形成穩(wěn)定的化合物：當(dāng)A－B原子間或同類原子間結(jié)合非常強(qiáng)時(shí)，則可以形成比較強(qiáng)而穩(wěn)定的結(jié)合，在液體中就出現(xiàn)新的固相(如氧在鋁中形成Al2O3，氧與鐵中的硅形成SiO2等)或氣相。

上述可以稱為液態(tài)金屬中的“相起伏”現(xiàn)象。（3）有些溶點(diǎn)較低而在金屬中固溶能力很低的元素，同類原子間(B－B)的結(jié)合力比金屬間(A－A)及其與金屬間的原子結(jié)合力(A－B)也較小時(shí)(不形成化合物)，則A－A原子易聚集在一起，而把B原子排擠在原子集團(tuán)外圍和液體的界面上，如同吸附在其表面一樣。但當(dāng)這種元素的加入量較大時(shí)，則也可以被排擠在一起形成B－B原子集團(tuán)，甚至形成液體的分層。A－ABBBBBBBA-AB-B第39頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.4實(shí)際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)總結(jié)實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。（1）它也存在著游動(dòng)原子集團(tuán)、空穴以及能量起伏；（2）在原子集團(tuán)和空穴中溶有各種各樣的合金元素及雜質(zhì)元素，由于化學(xué)鍵力和原子間結(jié)合力的不同，還存在著濃度起伏；（3）存在成分和結(jié)構(gòu)不同的游動(dòng)原子集團(tuán)，在一些化學(xué)親和力較強(qiáng)的元素的原子之間還可能形成不穩(wěn)定的(臨時(shí)的)或穩(wěn)定的化合物。相起伏BACK第40頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1-3液態(tài)金屬的性質(zhì)一、液態(tài)金屬的粘滯性

1粘滯性的本質(zhì)

2影響粘度的因素

3粘度對(duì)鑄件形成過(guò)程的影響二、液態(tài)金屬的表面張力

1表面張力的實(shí)質(zhì)

2影響表面張力的因素

3表面張力引起的附加壓力第41頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2、液體的性質(zhì)--粘滯性液態(tài)合金的粘度粘度的影響因素液體粘度的定義：粘度系數(shù)---簡(jiǎn)稱粘度（動(dòng)力學(xué)粘度η），是根據(jù)牛頓（SirIsaccNewton）提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)定義:粘度的物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力τ大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)。要產(chǎn)生相同的dVX/dy，液體內(nèi)摩擦阻力越大，即η越大，所需外加剪切應(yīng)力也越大。1）液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就越高;2）粘度隨原子間距δ增大而降低;3）隨溫度T而下降。實(shí)際金屬液的原子間距δ也非定值，溫度升高，原子熱振動(dòng)加劇，原子間距隨之而增大，因此η會(huì)隨之下降。4）合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響：合金元素的增加會(huì)使合金液的粘度上升.上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄第42頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六２、液態(tài)金屬的表面張力

－表面張力的實(shí)質(zhì)物體的表面是兩種相的分界面，該表面層總是具有某些不同于內(nèi)部的特有性質(zhì)，由此產(chǎn)生出一些表面特有的現(xiàn)象——表面現(xiàn)象。在鑄件形成過(guò)程中存在著許多相與相的界面，因此，研究鑄造過(guò)程的表面現(xiàn)象對(duì)于認(rèn)識(shí)和掌握鑄件形成過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律，以不斷提高鑄件質(zhì)量，是非常必要的。表征表面現(xiàn)象的主要參數(shù)是表面張力。第43頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1表面張力的實(shí)質(zhì)對(duì)于液體和氣體界面上的質(zhì)點(diǎn)(原子或分子)，由于液體的密度大于氣體的密度，故氣相對(duì)它的作用力遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部對(duì)它的作用力，使表面層質(zhì)點(diǎn)處于不平衡的力場(chǎng)之中。結(jié)果是表面層質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)指間液體內(nèi)部的力，使液體表面有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)。這相當(dāng)于在表面上存在一個(gè)平行于表面且各向大小相等的張力，稱之為表面張力。這種現(xiàn)象猶如液體表面是一被拉伸的彈性薄膜，力圖縮小其表面一樣。第44頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六從物理化學(xué)可知，表面自由能是產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量。設(shè)恒溫、恒壓下表面自由能的增量為F，表面自由能為。當(dāng)使表面增加S面積時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)所做的功為W＝

S

。該功的大小等于系統(tǒng)自由能的增量，即W＝

S＝F即表面自由能為單位面積上的自由能由于自由能可表達(dá)為力與位移的乘積，因此這樣，又可理解為物體表面單位長(zhǎng)度上作用著的力，即表面張力。廣義地說(shuō)，應(yīng)稱為界面張力．第45頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六衡量界面張力的標(biāo)志是潤(rùn)濕角氣體液體固體氣體液體固體f3f1f2f1f3f2f1的數(shù)值很小，比較f2和f3（１）若f3>f2，三力的合力F指向固體且垂直于液面，液面與固－液界面的夾角為銳角。此時(shí)界面張力的作用使液體沿固體表面鋪開(kāi)，固－液之間是潤(rùn)濕的（２）若f3<f2，三力的合力F指向液體內(nèi)部，與F垂直的液面與固－液界面的夾角為鈍角。此時(shí)界面張力使液面縮為球形，固－液之間為不潤(rùn)濕。第46頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六從上述分析可知，兩種物質(zhì)接觸時(shí)，潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕主要取決于其間的親合力。潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕的表現(xiàn)為下圖中的接觸角。界面張力達(dá)到穩(wěn)定態(tài)后，圖中各界面張力之間的關(guān)系為第47頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)SG＞LS時(shí)，cos為正值，即＜90°。通常把為銳角的情況稱為液體能潤(rùn)濕固體。＝0°時(shí)，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱為完全潤(rùn)濕。2)SG<LS時(shí)，cos為負(fù)值，即>90°。此時(shí)液體傾向于形成球狀，稱之為液體不能潤(rùn)濕固體。＝180°為完全不潤(rùn)濕。第48頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－影響表面張力的因素熔點(diǎn)：原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)高，表面張力也大。溫度：對(duì)于多數(shù)金屬和合金，溫度升高，表面張力降低，即。這是因?yàn)?，溫度升高時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)間距增大，表面質(zhì)點(diǎn)的受力不對(duì)稱性減弱，因而表面張力降低。當(dāng)達(dá)到液體的臨界溫度時(shí)，由于氣－液兩相界面消失，表面張力等于零。但是，對(duì)于某些合金，如鑄鐵、碳鋼、銅及其合金等其表面張力卻隨溫度之升高而增大，即第49頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－影響表面張力的因素溶質(zhì)：

不同的溶質(zhì)元素對(duì)金屬的表面張力有不同的影響：使表面張力降低的溶質(zhì)元素，稱為該金屬的表面活性物質(zhì)使表面張力增加的溶質(zhì)元素，稱為該金屬的非表面活性物質(zhì)溶質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響，可用計(jì)算單位表面積上吸附量的吉布斯公式衡量，其表達(dá)式為：第50頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六－單位表面積上較內(nèi)部多（或少）吸附溶質(zhì)的量，mol/m2c－溶質(zhì)濃度T－熱力學(xué)溫度R－氣體常數(shù)當(dāng)，即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力減小時(shí)，＞0，為正吸附。當(dāng)，即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力增大時(shí)，＜0，為負(fù)吸附。所謂正吸附就是溶質(zhì)元素在表面上的濃度大于在液體內(nèi)部的濃度，負(fù)吸附則是溶質(zhì)元素在表面上的濃度小于在內(nèi)部的濃度。因此，表面活性物質(zhì)具有正吸附作用；而非表面活性物質(zhì)具有負(fù)吸附作用。第51頁(yè)，共59頁(yè)，2023年，2月20日，星期六液態(tài)金屬的表面張力

－表面張力引起的附加壓力

假設(shè)液體中有一球形氣泡，球的表面積S＝4r2液態(tài)金屬的表面張力