第二章-液態(tài)金屬課件

1第二章液態(tài)金屬1第二章液態(tài)金屬2第一節(jié)引言第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)第三節(jié)液態(tài)合金的性質(zhì)第四節(jié)液態(tài)金屬的充型2第一節(jié)引言3第一節(jié)引言一、液體的分類二、液體的表觀特征3第一節(jié)引言一、液體的分類4一、液體的分類按液體的構(gòu)成類型，可分為：原子液體（如液態(tài)金屬、液化惰性氣體）分子液體（如極性與非極性分子液體），離子液體（如各種簡單的及復(fù)雜的熔鹽）4一、液體的分類按液體的構(gòu)成類型，可分為：5二、液體的表觀特征具有流動性（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）。5二、液體的表觀特征具有流動性（液體最顯著的性質(zhì)）；6第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)、固體金屬的加熱、熔化、液體金屬的結(jié)構(gòu)6第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)、固體金屬的加熱、熔化7一、固體金屬熔化為液態(tài)時(shí)的變化物質(zhì)的“三態(tài)”轉(zhuǎn)變7一、固體金屬熔化為液態(tài)時(shí)的變化物質(zhì)的“三態(tài)”轉(zhuǎn)變8

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891.金屬中的原子結(jié)合R→∞，F(xiàn)＝

0R＞R0

，F(xiàn)＜0（引力）→靠攏R＜R0

，F(xiàn)＞0（斥力）→分開R＝R0

，F(xiàn)＝0→平衡91.金屬中的原子結(jié)合R→∞，F(xiàn)＝010以雙原子為模型，假設(shè)左邊的原子在坐標(biāo)原點(diǎn)被固定，右邊的原子是自由的。溫度升高時(shí)，右邊自由振動原子的振幅增大。此時(shí)，若該原子以Ro為原點(diǎn)作簡諧振動，則其平衡位置仍是Ro，就不會發(fā)生膨脹。當(dāng)溫度升高，其間距（振幅中心位置）將由Ro→R1→R2→R3→R4。能量從W0→W1→W2→W3→W4時(shí)，原子間距離將隨溫度的升高而增加，即產(chǎn)生熱膨脹。這種膨脹只改變原子的間距，并不改變原子排列的相對位置。10以雙原子為模型，假設(shè)左邊的原子在坐標(biāo)原點(diǎn)被固定，右邊的原11膨脹原因？熱運(yùn)動2.金屬的加熱膨脹升溫?zé)嵴駝蛹觿?，E轉(zhuǎn)化為勢能達(dá)新的平衡R1、R2、R3

（＞R0）平衡距離增加（膨脹）能量起伏升溫起伏加劇部分原子越過勢壘形成空穴空穴移動、增多膨脹原子間距增大和空穴的產(chǎn)生11膨脹原因？熱運(yùn)動2.金屬的加熱膨脹升溫?zé)嵴駝蛹觿?，E轉(zhuǎn)化12熔點(diǎn)附近晶界粘性流動接近熔點(diǎn)繼續(xù)吸熱（熔化潛熱）晶粒瓦解，形成此起彼伏的原子集團(tuán)，游離原子和空穴約3%—7%3.金屬的熔化從晶界開始晶粒相對滑動晶粒失去原有形狀晶粒瓦解，體積突然膨脹溫度不變，內(nèi)能增加12熔點(diǎn)附近晶界粘性流動接近熔點(diǎn)繼續(xù)吸熱晶粒瓦解，形成此起彼二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)1.液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較

固態(tài)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多晶體：金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。13二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)1.液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較1314在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點(diǎn)上，其振動頻率約為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，圍繞著平衡結(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行振動，但振動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)熱和流動性。??液相結(jié)構(gòu)？14在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點(diǎn)上，其振動頻率約為101152、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)直接法

—X射線或中子線分析研究液態(tài)金屬的原子排列。

液態(tài)金屬中原子的排列在幾個(gè)原子的間距范圍內(nèi)，與其固態(tài)的排列方式基本一致，但由于原子間距的增大和空穴的增多，原子的配位數(shù)略有變化，熱運(yùn)動增強(qiáng)。間接法—

通過比較固液態(tài)和固氣態(tài)轉(zhuǎn)變的物理性質(zhì)的變化判斷。

（1）體積和熵值的變化（2）熔化潛熱和氣化潛熱

152、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

體積只膨脹3～5％，即原子間距平均只增大1～1.5％

熔化潛熱（△Hm）只占?xì)饣瘽摕幔ā鱄b

）的3～7％

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。熱物理性質(zhì)返回目錄體積只膨脹3～5％，即原子間距平均只增大117表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱17表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱

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)而不是氣態(tài)，原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。

193、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征l）組成：液態(tài)金屬是由游動的原子團(tuán)、空穴或裂紋構(gòu)成。2）特征：“近程有序”、“遠(yuǎn)程無序”原子間能量不均勻性，存在能量起伏。原子團(tuán)是時(shí)聚時(shí)散，存在結(jié)構(gòu)起伏。同一種元素在不同原子團(tuán)中的分布量不同，存在成分起伏19201200℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)201200℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500℃時(shí)液態(tài)金屬原子的21

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝結(jié)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。

21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；22第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)一、液態(tài)合金的粘度二、液態(tài)合金的表面張力22第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)一、液態(tài)合金的粘度23一、液態(tài)合金的粘度（一）液態(tài)合金的粘度及其影響因素（二）粘度在材料成形中的意義23一、液態(tài)合金的粘度（一）液態(tài)合金的粘度及其影響因素24（一）液態(tài)合金的粘度及其影響因素1.液體粘度的定義及意義2.粘度的影響因素24（一）液態(tài)合金的粘度及其影響因素1.液體粘度的定義及意251.液體粘度的定義及意義

粘度系數(shù)---簡稱粘度(動力學(xué)粘度η)，是根據(jù)牛頓提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式來定義的：

τ——平行于X方向作用于液體表面（X-Z面）的外加剪切應(yīng)力，VX——液體在X方向的運(yùn)動速度，dVX/dy——表示沿Y方向的速度梯度。外力作用于液體表面各原子層速度表述為：液體流動的速度梯度dVX/dy與剪切應(yīng)力τ成正比。通常條件下，所有的液態(tài)金屬符合牛頓定律，被稱為牛頓液體。粘度的物理意義可視為：作用于液體表面的應(yīng)力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)。液體粘度量綱為[M/LT]，常用單位為Pa·S或

MPa·S。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。251.液體粘度的定義及意義粘度系數(shù)-262.粘度的影響因素粘度表達(dá)式：Kb——Bolzmann常數(shù)；U——為無外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能t0——為原子在平衡位置的振動周期（對液態(tài)金屬約為10-13秒）δ——液體各原子層之間的間距粘度η隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加，這可以理解為，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；粘度的影響因素：粘度隨原子間距δ增大而降低（成反比）。實(shí)際金屬液的原子間距δ也非定值，溫度升高，原子熱振動加劇，原子間距增大，η隨之下降；η與溫度T的關(guān)系受兩方面（正比的線性關(guān)系和負(fù)的指數(shù)關(guān)系）所共同制約，通常，總的趨勢隨溫度T而下降；（溫度很高時(shí)除外）262.粘度的影響因素粘度表達(dá)式：粘度η隨原子間結(jié)合能U按27合金組元（或微量元素）對合金液粘度的影響：M-H（Moelwyn-Hughes）模型：

η1——純?nèi)軇┑恼扯?；?——溶質(zhì)的粘度；X1、X2分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的在溶液中的mole分?jǐn)?shù)，R為氣體常數(shù)，Hm

為兩組元的混合熱。若混合熱Hm為負(fù)值，合金元素的增加會使合金液的粘度上升（Hm為負(fù)值表明反應(yīng)為放熱反應(yīng)，異類原子間結(jié)合力大于同類原子，因此摩擦阻力及粘度隨之提高）若溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，則合金液的粘度將會明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯龋驗(yàn)楹辖鹨褐写嬖诋愵愒娱g較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵。表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的變質(zhì)元素Na）使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高。27合金組元（或微量元素）對合金液粘度的影響：M-28化學(xué)成分對粘度的影響固態(tài)雜質(zhì)越多，粘度越大。Fe-C亞共晶合金，隨著C含量的升高，粘度下降。共晶點(diǎn)時(shí)粘度最小，流動性最好。28化學(xué)成分對粘度的影響固態(tài)雜質(zhì)越多，粘度越大。29（二）粘度在材料成形中的意義

先引入運(yùn)動學(xué)粘度及雷諾數(shù)的概念：

運(yùn)動學(xué)粘度為動力學(xué)粘度除以密度，即：運(yùn)動學(xué)粘度μ——

適用于較大外力作用下的水力學(xué)流動，此時(shí)由于外力的作用，液體密度對流動的影響可以忽略（當(dāng)采用了運(yùn)動學(xué)粘度系數(shù)ν之后，ν金和ν水兩者近于一致。例如鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，完全可以按水力學(xué)原理來考慮）。動力學(xué)粘度η——

在外力作用非常小的情況下適用，如夾雜的上浮過程和凝固過程中的補(bǔ)縮等均與動力粘度系數(shù)η有關(guān)。29（二）粘度在材料成形中的意義先引入運(yùn)動學(xué)粘度30流態(tài)對流動阻力的影響：

根據(jù)流體力學(xué)：當(dāng)雷諾數(shù)Re＞2300時(shí)為紊流，Re＜2300時(shí)為層流圓形管道：

f為流動阻力系數(shù)：

→∝η→∝η0.2顯然，流動阻力愈大，在管道中輸送相同體積的液體所消耗的能量就愈大，或者說所需壓力差也就愈大。30流態(tài)對流動阻力的影響：31粘度對成形質(zhì)量的影響影響鑄件輪廓的清晰程度；影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向；影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧；影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成：熔渣及金屬液粘度降低對焊縫的合金過渡有利。31粘度對成形質(zhì)量的影響影響鑄件輪廓的清晰程度；32粘度對鑄件輪廓的清晰程度的影響在薄壁鑄件的鑄造過程中，流動管道直徑較小，雷諾數(shù)值小，流動性質(zhì)屬于層流。此時(shí)，為降低液體的粘度應(yīng)適當(dāng)提高過熱度或者加入表面活性物質(zhì)等。32粘度對鑄件輪廓的清晰程度的影響在33影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向

由于凝固收縮形成壓力差而造成的自然對流均屬于層流性質(zhì)，此時(shí)粘度對流動的影響就會直接影響到鑄件的質(zhì)量。33影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向由于凝固收34影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧在鑄造合金熔煉及焊接過程中，這些冶金化學(xué)反應(yīng)均是在金屬液與熔渣的界面進(jìn)行的，金屬液中的雜質(zhì)元素及熔渣中反應(yīng)物要不斷地向界面擴(kuò)散，同時(shí)界面上的反應(yīng)產(chǎn)物也需離開界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。這些反應(yīng)過程的動力學(xué)（反應(yīng)速度和可進(jìn)行到何種程度）受到反應(yīng)物及生成物在金屬液和熔渣中的擴(kuò)散速度的影響，金屬液和熔渣的動力學(xué)粘度η低則有利于擴(kuò)散的進(jìn)行，從而有利于脫去金屬中的雜質(zhì)元素。34影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧在鑄35影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成金屬液各種精煉工藝，希望盡可能徹底地脫去金屬液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和氣體，無論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，殘留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應(yīng)該在金屬完全凝固前排除出去，否則易形成夾雜或氣孔，破壞金屬的連續(xù)性。而夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的粘度成反比（流體力學(xué)的斯托克斯公式）。粘度η較大時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；鑄件及焊縫的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。35影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成金屬液各種36對焊縫的合金過渡影響在焊縫金屬的合金化方法中，通過含有合金元素的焊劑、藥皮或藥芯進(jìn)行合金過渡是較為常用的方法。這類方法的合金過渡主要是在金屬液與熔渣的界面上進(jìn)行的。熔渣及金屬液粘度降低，進(jìn)入熔渣中的合金元素易擴(kuò)散到熔渣-熔池金屬界面上，向熔池金屬內(nèi)部擴(kuò)散。36對焊縫的合金過渡影響在焊縫金屬的合金化方37二、液態(tài)合金的表面張力（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力的因素（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義37二、液態(tài)合金的表面張力（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力38表面張力是氣/液界面現(xiàn)象，它的大小與液相和氣相的性質(zhì)有關(guān)（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力的因素表面張力：液體表面內(nèi)產(chǎn)生的平行于表面切線方向且各向大小均等的張力。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。表面:液體或固體同空氣或真空接觸的面表面現(xiàn)象？露珠產(chǎn)生原因？38表面張力是氣/液界面現(xiàn)象，它的大小與液相和氣相的性質(zhì)有關(guān)391、表面張力及其產(chǎn)生原因分子壓力：由于任何相界面處表相分子受力不均勻,表相分子有向體相運(yùn)動的趨勢因而表相對體相產(chǎn)生一種壓力,稱為“分子壓力”。這是產(chǎn)生表面張力的根源。391、表面張力及其產(chǎn)生原因分子壓力：40原子或分子處于力的平衡狀態(tài)受力不均，指向內(nèi)部的合力這種受力不均引起表面原子的勢能比內(nèi)部原子的勢能高，所以物體傾向于減小表面積

圖位置不同的原子或分子作用力模型a、位于液體內(nèi)部b、位于液體表面40原子或分子處于力的平衡狀態(tài)受力不均，指向內(nèi)部的合力這種受41b簡單的薄膜拉伸試驗(yàn)41b簡單的薄膜拉伸試驗(yàn)42

由于液體表面層內(nèi)質(zhì)點(diǎn)受到不平衡力場的作用，導(dǎo)致表面繃緊或彎曲，使表面內(nèi)產(chǎn)生了多余的表面能。如圖所示，設(shè)表面S在繃緊力F的作用下，拉長了dx距離

進(jìn)一步可得表面能：產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量則外力所做的功為：2、表面自由能與表面張力的關(guān)系42由于液體表面層內(nèi)質(zhì)點(diǎn)受到不平衡力場的作43

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。43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443、表面與界面

表面與界面的差別在于后者泛指兩相之間的交界面，而前者特指液體（或固體）與氣體之間的交界面，但更嚴(yán)格說，應(yīng)該是指液體或固體與其蒸汽的界面。廣義上說，物體（液體或固體）與氣相之間的界面能和界面張力等于物體的表面能和表面張力。443、表面與界面表面與界面的差別在于后者泛指兩相之454、影響表面張力的因素影響液態(tài)金屬表面張力的因素主要有熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素熔點(diǎn)溫度原子間的結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，則表面張力往往就大。常用的幾種金屬的表面張力與熔點(diǎn)的關(guān)系如表所示表面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力表面張力與溫度的定量關(guān)系表達(dá)式：V：摩爾體積，T熱力學(xué)溫度，Tc為液—?dú)馀R界點(diǎn)溫度，kγ為溫度系數(shù)可知：表面張力隨溫度升高而下降454、影響表面張力的因素影響液態(tài)金屬表面張力的因素主要有熔464647溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素，“活性”之義為表面濃度大于內(nèi)部濃度，也稱正吸附元素提高表面張力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附元素。47溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類使表面張48按照常規(guī)的理解，當(dāng)在A溶劑中加入溶質(zhì)B后，溶質(zhì)B在溶劑A中各部分的濃度應(yīng)該均等。

但試驗(yàn)表明，在多數(shù)情況下，溶液表層的溶質(zhì)濃度并不等于溶液內(nèi)部的濃度，有下列三種情況：

(1)CB表面>CB內(nèi)部正吸附現(xiàn)象；

(2)CB表面<CB內(nèi)部負(fù)吸附現(xiàn)象；

(3)CB表面=CB內(nèi)部無吸附現(xiàn)象。WHY?加入某些溶質(zhì)之所以能改變金屬的表面張力，是因?yàn)榧尤肴苜|(zhì)后改變了溶液表面層質(zhì)點(diǎn)的力場不對稱性程度。

48按照常規(guī)的理解，當(dāng)在A溶劑中加入溶質(zhì)B后，溶質(zhì)B在溶劑A49

熱力學(xué)上，系統(tǒng)總是向減少自由能方向進(jìn)行，液體表面的自由能總是趨向最小。

如果加入溶質(zhì)B降低了溶劑A的表面張力，則表面層就會吸收更多的溶質(zhì)原子形成正吸附現(xiàn)象。

→表面活性物質(zhì)→跑向表面

反之，如果加入溶質(zhì)B后，增加了溶劑的表面張力，則表面層就會排斥溶質(zhì)原子B，而形成負(fù)吸附現(xiàn)象?！砻娣腔钚晕镔|(zhì)→跑向內(nèi)部如果加入溶質(zhì)B后，并不改變?nèi)輨┑谋砻鎻埩Γ瑒t不形成吸附現(xiàn)象，整個(gè)溶液濃度是均勻的。

49熱力學(xué)上，系統(tǒng)總是向減少自由能方向進(jìn)行，液體表面的自50吉布斯溶液表面的吸附公式，通常寫成：

表明了溶質(zhì)對某液相的活性和和非活性的程度

指恒溫時(shí)，表面（界面）張力隨表面濃度的變化率，稱為表面活性。時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力降低時(shí)，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力增大時(shí)，即界面溶質(zhì)濃度變化量，此時(shí)無吸附現(xiàn)象發(fā)生。50吉布斯溶液表面的吸附公式，通常寫成：51還可以看出，吸附量

與表面活性和溶質(zhì)濃度（C）成正比，與絕對溫度（T）成反比。

因此，升高溫度，會使表面吸附的溶質(zhì)量減少。

51還可以看出，吸附量與表面活性52（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義表面張力在大體積系統(tǒng)中顯示不出它的作用，但在微小體積系統(tǒng)會顯示很大的作用界面張力與潤濕角表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差液膜拉斷臨界力及表面張力對凝固熱裂的影響（液膜理論）52（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義531、界面張力與潤濕角

接觸的兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，界面張力（界面能）就越小，兩相間的界面張力越小時(shí)，潤濕角越小，稱之為潤濕性好。例如：水銀與玻璃間及金屬液與SiO2間，由于兩者難以結(jié)合，所以兩相間的界面張力很大，幾乎不潤濕。相反，同一金屬（或合金）液固之間，由于兩者容易結(jié)合，界面張力與潤濕角就很小。

液態(tài)金屬凝固時(shí)析出的固相與液相的界面能越小，形核率越高。熔渣與液態(tài)金屬之間的潤濕性將影響熔渣對金屬的保護(hù)效果與焊縫外觀成形。531、界面張力與潤濕角接觸的兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，54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。當(dāng)固相表面有液相和氣相時(shí)，發(fā)生界面現(xiàn)象如圖(a)所示。潤濕角θ：衡量界面張力的標(biāo)志平衡時(shí)水平分量的平衡關(guān)系為：當(dāng)液、氣相與固相接觸時(shí)，三個(gè)界面張力的平衡情況見(b)所示。54式中SG—固相/氣相界面張力；LS—552）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。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。即楊氏方程式，接觸角θ的值與各界面張力的相對值有關(guān)。552）σSG<σLS時(shí)，cosθ為負(fù)值，即θ>90°，液體56

潤濕現(xiàn)象

>90o

<90o

=0o

=180oAbsolutewettingNowetting56潤濕現(xiàn)象>90o<57彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力

用一根玻璃管吹一個(gè)肥皂泡，若將管口堵住→肥皂泡可以長時(shí)間存在若不堵住管口→肥皂泡將會不斷縮小，很快聚成一個(gè)液滴。WHY?○現(xiàn)象說明，只要液面不是平的，則其內(nèi)外壓力不同?！鹨?yàn)闅馀菔且粋€(gè)彎曲液面，液體的表面張力迫使液面向內(nèi)收縮，產(chǎn)生一種額外的壓力，這個(gè)額外的壓力叫做附加壓力。要使氣泡穩(wěn)定，氣泡內(nèi)除了要有壓力對抗大氣壓外，還必須有一個(gè)大小相等的壓力和附加壓力抗衡，所以氣泡內(nèi)的壓力必須大于外壓。附加壓力的大小和液面的曲率半徑有關(guān)

2、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差57彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力用一根玻璃管吹一個(gè)肥皂泡，2、表58拉普拉斯—揚(yáng)方程式

當(dāng)曲面是球面一部分時(shí)，r1=r2，則得到附加壓力與曲率半徑的關(guān)系式

表明:

→半徑越小，附加壓力越大，

→凸面液體（如液珠）r

0，附加壓力Δp為正；

→凹面液體（如液體中的氣泡）r

0，附加壓力Δp為負(fù)；

→平面液體r=∞，附加壓力Δp=0。返回目錄58拉普拉斯—揚(yáng)方程式

返回目錄59液態(tài)金屬充填鑄型

59液態(tài)金屬充填鑄型60冶煉正常的合金液，不潤濕型壁，有助于防止機(jī)械粘沙。但對于薄壁，棱角處，需要克服附加壓頭。60冶煉正常的合金液，不潤濕型壁，有助于防止機(jī)械粘沙。但對于613．液膜拉斷臨界力及表面張力對凝固熱裂的影響在凝固的后期，不同晶粒之間存在著液膜，由于表面張力的作用，液膜將其兩側(cè)的晶體緊緊地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。

設(shè)液膜為圓柱體的部分凹面，由于表面張力的作用，始終存在著一個(gè)與外力方向相反的應(yīng)力與之相平衡，其大小為：

當(dāng)r=T/2時(shí)，fmax=Δp達(dá)臨界值，如果繼續(xù)將液膜拉開，則曲率半徑r將再度變大，而應(yīng)力Δp將要變小。在這種情況下，凝固收縮引起的拉應(yīng)力將大于由表面張力所產(chǎn)生的應(yīng)力，使液膜兩側(cè)的固體急劇分離。613．液膜拉斷臨界力及表面張力對凝固熱裂的影響在凝62液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax大小為：對于σ=1g/cm的金屬來說，如果液膜厚度為10-6mm時(shí)，要將液膜兩側(cè)的晶粒拉開所需應(yīng)力為2×103N/mm2！液膜拉斷時(shí)若無外界液體補(bǔ)充，那么晶粒間或枝晶間便形成了凝固熱裂紋。可見，液膜的表面張力越大，液膜越薄，則液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax越大，裂紋越難形成。第一種情況：凝固的早期，或者靠近液體的兩相區(qū)內(nèi)，液膜與大量未凝固的液體相通，此時(shí)液膜兩側(cè)的固體枝晶拉開多少，液體補(bǔ)充進(jìn)去多少，因此不會產(chǎn)生熱裂。62液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax大小為：63第二種情況：液膜已經(jīng)與液體區(qū)隔絕，但是由于低熔點(diǎn)物質(zhì)的大量存在（如鋼中的硫共晶），形成大的液膜厚度和低的表面張力，將使液膜的最大斷裂應(yīng)力fmax減小，且熔點(diǎn)低而凝固速度較慢，這樣，厚的液膜將會長時(shí)間地保持下去，在此期間，如果有大的拉伸速度，則往往要產(chǎn)生熱裂。第三種情況：液膜雖已與液體區(qū)隔絕，但由于液膜中低熔點(diǎn)雜質(zhì)較少，其表面張力較高，熔點(diǎn)也相應(yīng)較高而凝固速度較快，液膜迅速變薄，此時(shí)如果液膜兩側(cè)的固體枝晶受到拉力，將會遇到大的fmax的抗力，這種抗力將使高溫固體內(nèi)部產(chǎn)生蠕變變形，從而避免了熱裂的產(chǎn)生。63第二種情況：液膜已經(jīng)與液體區(qū)隔絕，但是由于低熔點(diǎn)物質(zhì)的64第四節(jié)液態(tài)金屬的充型能力一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念二、影響充型能力的因素64第四節(jié)液態(tài)金屬的充型能力一、液態(tài)金屬充型能力的基本65液態(tài)金屬充型能力

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，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。65液態(tài)金屬充型能力液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完66

液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因——金屬本身的流動性外因——鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。

表1-4不同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚金屬種類鑄件最小壁厚（mm）砂型金屬型熔模鑄造殼型壓鑄灰鑄鐵3>40.4-0.80.8-1.5--鑄鋼48-100.5-1.02.5--鋁合金33-4----0.6-0.866液態(tài)金屬的充型能力取決于：金屬種類鑄件67合金的螺旋形流動性實(shí)驗(yàn)在相同的條件下澆注各種合金的流動性試樣，以試樣的長度表示該合金的流動性，并以所測得的合金流動性表示合金的充型能力。67合金的螺旋形流動性實(shí)驗(yàn)充型能力的計(jì)算充型過程：液體金屬的非穩(wěn)定的流動過程l=vt主要是計(jì)算流動時(shí)間t充型能力示意圖充型能力的計(jì)算充型過程：液體金屬的非穩(wěn)定的流動過程l=v69液態(tài)金屬停止流動機(jī)理與充型能力圖a純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度圖b寬結(jié)晶溫度合金停止很窄的合金停止流動機(jī)理示意圖流動機(jī)理示意圖前端析出15~20％的固相量時(shí)，流動就停止。充型能力強(qiáng)69液態(tài)金屬停止流動機(jī)理與充型能力圖a純金屬、共晶成分合金流動時(shí)間t＝t1+t2(1)t1過熱溫度流動段(2)t2凝固開始到停止流動時(shí)間段充型能力——流動長度l=vt流動時(shí)間t＝t1+t2(1)t1過熱溫度流動段(2)71影響充型能力的因素1.金屬性質(zhì)方面的因素（流動性的高低）2.鑄型性質(zhì)方面的因素3.澆注條件方面的因素71影響充型能力的因素1.金屬性質(zhì)方面的因素（流動性的高721.金屬性質(zhì)方面的因素純金屬、共晶和結(jié)晶溫度范圍窄的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對液體的流動阻力小，合金液流動時(shí)間長，所以流動性好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動性不好；結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的85~90%）：對于純金屬、共晶和結(jié)晶溫度范圍窄的合金，放出的潛熱越多，凝固過程進(jìn)行的越慢，流動性越好，因此潛熱的影響較大，對于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對流動性影響不大。合金液的比熱、密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小,充型能力越好；合金液的粘度，在充型過程前期（屬紊流）對流動性的影響較小，而在充型過程后期凝固中（屬層流）對流動性影響較大。例：Fe-C合金流動性與成分的關(guān)系721.金屬性質(zhì)方面的因素純金屬、共晶和結(jié)晶溫度范圍窄的合732、鑄型性質(zhì)方面的因素：鑄型的蓄熱系數(shù)

b2越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。金屬型（銅、鑄鐵、鑄鋼等）的蓄熱系數(shù)b2是砂型的十倍或數(shù)十倍以上，為了使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。濕砂型的b2是干砂型的2倍左右，砂型的b2與造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度等因素有關(guān)。732、鑄型性質(zhì)方面的因素：鑄型的蓄熱系數(shù)743、澆注條件方面的因素澆注溫度越高、充型壓頭越大，則液態(tài)金屬的充型能力越好；澆注系統(tǒng)（直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道）的復(fù)雜程度，鑄件的壁厚與復(fù)雜程度等也會影響液態(tài)金屬的充型能力。743、澆注條件方面的因素澆注溫度越高、充型壓頭越大第五節(jié)

半固態(tài)流變規(guī)律

液態(tài)金屬合金冷卻到液相線溫度后開始結(jié)晶析出固相。隨著溫度進(jìn)一步降低，析出固態(tài)的比例逐漸增大；當(dāng)溫度降到固相線以下時(shí)合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，凝固過程結(jié)束。

在液相線和固相線之間的溫度范圍內(nèi)，結(jié)晶