重慶大學(xué)金屬凝固原理 課件第2章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1、第二章第二章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 2-1 液體的分類及其基本特征液體的分類及其基本特征 一、液體的分類一、液體的分類 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(jiǎn)單的及復(fù)雜的熔鹽） 二、二、 液體的表觀特征液體的表觀特征 具有流動(dòng)性具有流動(dòng)性 （液體最顯著的性質(zhì)）（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（類似于 氣體，不同于固體）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

2、間的結(jié)合力沒(méi)有固體中強(qiáng)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（類似于氣體，不同于固 體）體）； 具有自由表面具有自由表面 （類似于固體，不同于氣體）（類似于固體，不同于氣體）； 液體可壓縮性很低液體可壓縮性很低 （類似于固體，不同于氣體）（類似于固體，不同于氣體）。 三、液體的基本性質(zhì)三、液體的基本性質(zhì) 物理性質(zhì)物理性質(zhì)：密度、：密度、粘度、粘度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等；電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等； 物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、 表面張力表面張力等；等； 熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、熱膨脹與凝固收縮及其它

3、：蒸汽壓、熱膨脹與凝固收縮及其它 金屬液體粘度較大，金屬液體粘度較大， 而水幾乎沒(méi)有粘度。而水幾乎沒(méi)有粘度。 2-22-2 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較 二、目前研究液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的方法 三、實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu) 一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較 晶體晶體:平移、對(duì)稱性特征（長(zhǎng)程有序）平移、對(duì)稱性特征（長(zhǎng)程有序） 原子以一定方式周期排列在三維空間的晶原子以一定方式周期排列在三維空間的晶 格結(jié)點(diǎn)上，同時(shí)原子以某種模式在平衡位置上格結(jié)點(diǎn)上，同時(shí)原子以某種模式在平衡位置上 作熱振動(dòng)作熱振動(dòng) 氣體氣體: 完全無(wú)序?yàn)樘卣魍耆珶o(wú)序?yàn)樘卣?分子不停地作無(wú)規(guī)律

4、運(yùn)動(dòng)分子不停地作無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng) 液體：液體： 長(zhǎng)長(zhǎng) 程程 無(wú)無(wú) 序序 不具備平移、對(duì)稱性；不具備平移、對(duì)稱性； 近近 程程 有有 序序 相對(duì)于完全無(wú)序的氣體，液體中存在著許相對(duì)于完全無(wú)序的氣體，液體中存在著許 多不停多不?！坝问幱问帯敝木钟蛴行虻脑蛹瘓F(tuán)著的局域有序的原子集團(tuán)， 液體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域范圍的有序性液體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域范圍的有序性 二、目前研究液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的方法二、目前研究液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的方法 1.間接研究方法：研究金屬熔化、汽化時(shí)的 物理現(xiàn)象間接研究液態(tài)結(jié)構(gòu)。 體積變化 金屬熔化后，體積一般膨脹4-7%（見(jiàn)表2-1）， 原子間距增大1.01.5%，而汽化后，體積膨脹 為無(wú)限大，說(shuō)明液態(tài)金

5、屬在低溫時(shí)接近固態(tài)。 熱量變化 由表2-1可知，金屬的熔化潛熱只占汽化潛熱的 很小部分（7.0%），說(shuō)明其結(jié)構(gòu)接近固態(tài)。 2.直接研究方法： 通過(guò)液態(tài)金屬x射線衍 射分析來(lái)直接研究金屬 的液態(tài)結(jié)構(gòu)。 以700液態(tài)鋁的x射線 衍射結(jié)構(gòu)分析為例 （見(jiàn)圖2-1）； x射線所得到液態(tài)和固 態(tài)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2- 2。 由圖由圖2-1和表和表2-2分析得出：分析得出： 液態(tài)金屬中，原子間結(jié)合力仍很強(qiáng)，平均原子間液態(tài)金屬中，原子間結(jié)合力仍很強(qiáng)，平均原子間 距增加不大。距增加不大。 液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)為液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)為“近程有序近程有序”，即由，即由10幾個(gè)至幾幾個(gè)至幾 百個(gè)原子形成的集團(tuán)所組成，在每一個(gè)原子集團(tuán)百

6、個(gè)原子形成的集團(tuán)所組成，在每一個(gè)原子集團(tuán) 內(nèi)原子排列是有序的。內(nèi)原子排列是有序的。 原子集團(tuán)的熱運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)，能量起伏大，原子集團(tuán)原子集團(tuán)的熱運(yùn)動(dòng)很強(qiáng)，能量起伏大，原子集團(tuán) 是瞬時(shí)的，游動(dòng)的是瞬時(shí)的，游動(dòng)的。 原子集團(tuán)之間的距離較大，存在原子集團(tuán)之間的距離較大，存在“空穴空穴”，“空空 穴穴”中可能有游離原子、雜質(zhì)原子，也可能由裂中可能有游離原子、雜質(zhì)原子，也可能由裂 紋或氣泡構(gòu)成。紋或氣泡構(gòu)成?！翱昭昭ā币彩撬矔r(shí)的，游動(dòng)的。也是瞬時(shí)的，游動(dòng)的。 原子集團(tuán)的平均尺寸和游動(dòng)的速度與溫度有關(guān)，原子集團(tuán)的平均尺寸和游動(dòng)的速度與溫度有關(guān)， 溫度越高，其平均溫度越高，其平均 尺寸越小，游動(dòng)速度越快。尺寸越

7、小，游動(dòng)速度越快。 圖圖2-2為不同溫度下，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖。為不同溫度下，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖。 1200 1700 1550 1400 圖2-2 不同溫度下液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖 三、實(shí)際液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)三、實(shí)際液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) “能量起伏能量起伏” 各個(gè)原子集團(tuán)的動(dòng)能不同各個(gè)原子集團(tuán)的動(dòng)能不同 “結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏”液體中大量不停液體中大量不?！坝蝿?dòng)游動(dòng)”著的局域著的局域 有序原子團(tuán)簇存在著結(jié)構(gòu)上的差異。有序原子團(tuán)簇存在著結(jié)構(gòu)上的差異。 “濃度起伏濃度起伏” 同種元素及不同元素之間的原子間同種元素及不同元素之間的原子間 結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原

8、子容易聚集在一起， 把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存 在著成分差異在著成分差異 。 小結(jié)：小結(jié)： 液體金屬的結(jié)構(gòu)是由許多瞬時(shí)的、游液體金屬的結(jié)構(gòu)是由許多瞬時(shí)的、游 動(dòng)的、近程有序的原子集團(tuán)和空隙組動(dòng)的、近程有序的原子集團(tuán)和空隙組 成，原子集團(tuán)間存在成，原子集團(tuán)間存在能量起伏、結(jié)構(gòu)起能量起伏、結(jié)構(gòu)起 伏和濃度起伏。伏和濃度起伏。 2-3 液態(tài)金屬（合金）的性質(zhì)液態(tài)金屬（合金）的性質(zhì) 液態(tài)合金有各種性質(zhì)，與材料成形過(guò)程液態(tài)合金有各種性質(zhì)，與材料成形過(guò)程 關(guān)系特別密切的主要有關(guān)系特別密切的主要有兩個(gè)性質(zhì)：兩個(gè)性質(zhì)： 一、液態(tài)金屬（合金）的粘

9、度一、液態(tài)金屬（合金）的粘度 二、液態(tài)金屬（合金）的表面張力二、液態(tài)金屬（合金）的表面張力 一、液態(tài)金屬（合金）的粘度一、液態(tài)金屬（合金）的粘度 1. 1. 液態(tài)合金的粘度及其影響因素液態(tài)合金的粘度及其影響因素 2. 2. 粘度在材料成形中的意義粘度在材料成形中的意義 1.1.液態(tài)金屬的粘度及其影響因素液態(tài)金屬的粘度及其影響因素 （1 1）粘度的定義及意義）粘度的定義及意義 （2 2）影響粘度的因素）影響粘度的因素 （1）粘度的定義及意義）粘度的定義及意義 粘度粘度液體在層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，各液層間存在阻礙液液體在層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，各液層間存在阻礙液 體流動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力，體流動(dòng)的內(nèi)摩擦阻力， 該內(nèi)摩

10、擦阻力稱為粘度。該內(nèi)摩擦阻力稱為粘度。 )(xf 兩液層間的 相對(duì)移動(dòng)速度 與液體性質(zhì)有關(guān) 的系數(shù) 由牛頓液體粘滯定律，得兩液層間的摩擦力由牛頓液體粘滯定律，得兩液層間的摩擦力 ： dy d sxf x )( 式中： 圖2-3 力作用于液面各層的速度 兩液層間的接觸 面積 s 1 2 3 4 5 dy d x x y z 由上式得： dy d sxf x / )(（pas或mpas） 稱為動(dòng)力粘度系數(shù)，簡(jiǎn)稱動(dòng)力粘度。 如果在外力作用下的水力學(xué)流動(dòng)，則液體密 度對(duì)流動(dòng)的影響可忽略 ，則得到運(yùn)動(dòng)粘度： （m2/s） （2 2）影響粘度的因素）影響粘度的因素 a.溫度的影響溫度的影響 由富林克爾粘度

11、表達(dá)式： k b boltzmann常數(shù)； u 為無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能 0 為原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài) 金屬約為10-13秒） 液體各原子層之間的間距 tk utk b b exp 2 0 3 由上式看出： 粘度隨原子間距粘度隨原子間距增大而降低（成反比）。實(shí)際增大而降低（成反比）。實(shí)際 金屬液的原子間距金屬液的原子間距也非定值，也非定值，溫度升高，原子溫度升高，原子 熱振動(dòng)加劇，原子間距增大，熱振動(dòng)加劇，原子間距增大， 隨之下降；隨之下降； 粘度粘度 隨原子間結(jié)合能隨原子間結(jié)合能u按指數(shù)關(guān)系增加，這按指數(shù)關(guān)系增加，這 可以理解為，可以理解為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)液體

12、的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi) 摩擦阻力越大，粘度也就越高摩擦阻力越大，粘度也就越高； 與溫度與溫度t的關(guān)系受兩方面（正比的線性關(guān)系和的關(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，負(fù)的指數(shù)關(guān)系）所共同制約，通常，總的趨勢(shì)隨總的趨勢(shì)隨 溫度溫度t而下降（見(jiàn)下圖）而下降（見(jiàn)下圖）； a） 液態(tài)液態(tài) ni b） 液態(tài)液態(tài) co 圖圖2-4 液體的粘度與溫度的關(guān)系液體的粘度與溫度的關(guān)系 （圖中各曲線分別為不同研究者的研究結(jié)果） b.合金組元（成分）的影響：合金組元（成分）的影響： m-h（moelwyn-hughes）模型： 純?nèi)軇┑恼扯?；純?nèi)軇┑恼扯龋?溶質(zhì)的粘度；溶質(zhì)的粘度； x1

13、、x2 分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的在溶液中的分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的在溶液中的mole分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)， r為氣體常數(shù)，為氣體常數(shù)，hm 為兩組元的混合熱。為兩組元的混合熱。 2 rt h xx m 21)( 2211 1 p若混合熱若混合熱hm為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)使合金為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)使合金 液的粘度上升液的粘度上升（hm為負(fù)值表明反應(yīng)為放熱反應(yīng)）為負(fù)值表明反應(yīng)為放熱反應(yīng)） p若混合熱若混合熱hm為正值，合金元素的增加會(huì)使合金為正值，合金元素的增加會(huì)使合金 液的粘度下降液的粘度下降（hm為正值表明反應(yīng)為吸熱反應(yīng)）為正值表明反應(yīng)為吸熱反應(yīng)） p如：如：fe-c合金中隨合金中隨c含量的增加，粘度下降

14、。含量的增加，粘度下降。 pal-si合金中隨合金中隨si含量的增加，粘度下降。它們均含量的增加，粘度下降。它們均 在共晶成分時(shí)粘度最低。在共晶成分時(shí)粘度最低。 p液態(tài)合金中形成的夾雜物，均使粘度上升。如鋼液態(tài)合金中形成的夾雜物，均使粘度上升。如鋼 中的中的mns、al2o3、sio2等。等。 若溶質(zhì)與溶劑在若溶質(zhì)與溶劑在液態(tài)形成金屬間化合物，液態(tài)形成金屬間化合物，則合金則合金 液的粘度將會(huì)明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，因液的粘度將?huì)明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，?為合金液中存在異類原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵。為合金液中存在異類原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵。 表面活性元素表面活性元素（如向（如向al-si

15、合金中添加的變質(zhì)元素合金中添加的變質(zhì)元素 na）使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使）使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使 粘度提高。粘度提高。 (1) 流態(tài)對(duì)流動(dòng)阻力的影響：流態(tài)對(duì)流動(dòng)阻力的影響： 根據(jù)流體力學(xué)：當(dāng)雷諾數(shù)根據(jù)流體力學(xué)：當(dāng)雷諾數(shù)re2300時(shí)為紊流，時(shí)為紊流，re2300時(shí)為層流時(shí)為層流 圓形管道：圓形管道： f 為流動(dòng)阻力系數(shù)：為流動(dòng)阻力系數(shù)： 顯然，顯然，粘度越大，流動(dòng)阻力愈大，粘度越大，流動(dòng)阻力愈大，在管道中輸送相同體積的液體所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(shuō)所需壓力差也就愈大。消耗的能量就愈大，或者說(shuō)所需壓力差也就愈大。 在相同的外力作在相同的

16、外力作 用下，用下，流速和流量越小，可能造成充不滿鑄型。流速和流量越小，可能造成充不滿鑄型。 d v d re d f 32 re 32 層 2 .0 2 .0 2 .0 )( 092.0 re 092.0 d f 紊 2.粘度在材料成形中的意義粘度在材料成形中的意義 d-水力學(xué)半徑 -液體的臨界速度 ( ) / x dv f xs dy 2 . 0 (2)粘度對(duì)成形件質(zhì)量的影響粘度對(duì)成形件質(zhì)量的影響 影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧；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：影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成： 影響鑄件輪廓的清晰程度；影響鑄件輪廓的清晰程度； 影響

17、熱裂、縮孔、縮松的形成傾向；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(guò)程中，這些冶金化學(xué)反應(yīng)均是在鑄造合金熔煉及焊接過(guò)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(kāi)界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。這些反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)（反應(yīng)速度離開(kāi)界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。這些反應(yīng)過(guò)程的動(dòng)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

18、渣和可進(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(dòng)力學(xué)中的擴(kuò)散速度的影響，金屬液和熔渣的動(dòng)力學(xué)粘度粘度低則有低則有 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。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。 影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成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）和液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和 氣體，無(wú)論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，氣體，無(wú)論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液， 殘

19、留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應(yīng)該在金屬殘留的（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。而金屬的連續(xù)性。而夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的 粘度成反比粘度成反比（流體力學(xué)的斯托克斯公式）。（流體力學(xué)的斯托克斯公式）。 粘度粘度 較大較大時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；鑄件鑄件 的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。 粘度對(duì)鑄件輪廓的清晰

20、程度的影響粘度對(duì)鑄件輪廓的清晰程度的影響: 在薄壁鑄件的鑄造過(guò)程中，流動(dòng)管道直徑在薄壁鑄件的鑄造過(guò)程中，流動(dòng)管道直徑 較小，雷諾數(shù)值小，流動(dòng)性質(zhì)屬于層流。此時(shí)，較小，雷諾數(shù)值小，流動(dòng)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(guò)熱度或者加入表為降低液體的粘度應(yīng)適當(dāng)提高過(guò)熱度或者加入表 面活性物質(zhì)等。面活性物質(zhì)等。 影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向: 由于凝固收縮形成壓由于凝固收縮形成壓 力差而造成的自然對(duì)流力差而造成的自然對(duì)流 均屬于層流性質(zhì)，此時(shí)均屬于層流性質(zhì)，此時(shí) 粘度對(duì)層流的影響就會(huì)粘度對(duì)層流的影響就會(huì) 直接影響到鑄件的質(zhì)量。直接影響到鑄件的質(zhì)量。 二、液

21、態(tài)金屬的表面張力二、液態(tài)金屬的表面張力 1.1.表面張力的實(shí)質(zhì)表面張力的實(shí)質(zhì) 2.2.影響表面張力的因素影響表面張力的因素 3.3.表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義 1.1.表面張力的實(shí)質(zhì)表面張力的實(shí)質(zhì) （1）表面張力及其產(chǎn)生的原因）表面張力及其產(chǎn)生的原因 液體或固體同空氣或真空接觸的面叫液體或固體同空氣或真空接觸的面叫 表面表面。表面具有特殊性質(zhì)，由此產(chǎn)生的現(xiàn)。表面具有特殊性質(zhì)，由此產(chǎn)生的現(xiàn) 象象表面現(xiàn)象。表面現(xiàn)象。 如荷葉上的水珠呈球狀，雨水總是以滴如荷葉上的水珠呈球狀，雨水總是以滴 狀的形式從天空落下。狀的形式從天空落下。 表面張力是表面上平行于表面切

22、線方向且各方向大表面張力是表面上平行于表面切線方向且各方向大 小相等的張力。小相等的張力。 表面張力是由于物體在表面上的質(zhì)點(diǎn)受力不均所造成。表面張力是由于物體在表面上的質(zhì)點(diǎn)受力不均所造成。 由于液體或固體的表面原子受內(nèi)部的作用力較大，而朝由于液體或固體的表面原子受內(nèi)部的作用力較大，而朝 著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起表面原子的表面原子的 勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。因此，。因此，物體傾向于減小其表物體傾向于減小其表 面積而產(chǎn)生表面張力面積而產(chǎn)生表面張力。 （2）表面張力的意義）表面張力的意義 取一小塊表面薄膜（見(jiàn)右圖）， 寬度為b

23、，薄膜受到一 繃緊力f，則有f= b 得到： 式中-表面張力系數(shù)，簡(jiǎn)稱表面張力（n/m） 表面張力的一個(gè)意義是：液膜的單位長(zhǎng)度上所受的表面張力的一個(gè)意義是：液膜的單位長(zhǎng)度上所受的 繃緊力?？嚲o力。 l e slblfw s l在力f作用下，表面液膜拉長(zhǎng) ，則f所作的功為： ( 液膜拉長(zhǎng)后增加的面積） 作的這項(xiàng)功成為液膜上的能量 ，有： swe(不考慮摩擦力） 即 s e 2 /mj 于是得到表面張力的另一個(gè)意義是：表面張力可 以看作是液膜上單位面積的能量。 （3）表面張力與潤(rùn)濕角）表面張力與潤(rùn)濕角 潤(rùn)濕潤(rùn)濕角是衡量界面張力的標(biāo)志角是衡量界面張力的標(biāo)志 界面張力達(dá)到平衡時(shí)，存在下列關(guān)系：界面張力

24、達(dá)到平衡時(shí)，存在下列關(guān)系： cos sglslg cos sgls lg 式中，式中，sg為固為固氣界面張力；氣界面張力； ls為液為液固界固界 面張力；面張力； lg為液為液氣界面張力氣界面張力 90，此時(shí)液體不能潤(rùn)濕固體；，此時(shí)液體不能潤(rùn)濕固體；=180=180稱稱 絕對(duì)不潤(rùn)濕。潤(rùn)濕角是可以測(cè)定的。絕對(duì)不潤(rùn)濕。潤(rùn)濕角是可以測(cè)定的。 例如：例如：水銀與玻璃間及金屬液與水銀與玻璃間及金屬液與sio2間，由于間，由于 兩者難以結(jié)合，所以兩相間的界面張力很大，兩者難以結(jié)合，所以兩相間的界面張力很大， 幾乎不潤(rùn)濕。相反，同一金屬（或合金）液固幾乎不潤(rùn)濕。相反，同一金屬（或合金）液固 之間，由于兩者容

25、易結(jié)合，界面張力與潤(rùn)濕角之間，由于兩者容易結(jié)合，界面張力與潤(rùn)濕角 就很小。就很小。 通過(guò)測(cè)定通過(guò)測(cè)定潤(rùn)濕角可比較不同液態(tài)金屬表面潤(rùn)濕角可比較不同液態(tài)金屬表面 張力的大小。張力的大小。 2.影響表面張力的因素影響表面張力的因素 （1）熔點(diǎn)）熔點(diǎn) （2）溫度）溫度 （3）溶質(zhì)元素）溶質(zhì)元素 （1）熔點(diǎn)）熔點(diǎn) 界面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力，界面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力， 故故原子間的結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)、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。沸點(diǎn)高，則表面張力往往就大。材料成材料成 形過(guò)程中常用的幾種金屬的表面張力與形過(guò)程中常用的幾種金屬的表面張力與 熔點(diǎn)的關(guān)系如下表所

26、示熔點(diǎn)的關(guān)系如下表所示: （2）溫度）溫度 大多數(shù)金屬和合金，如大多數(shù)金屬和合金，如al、mg、zn等，等， 其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度 升高而使液體質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力減弱所至。但升高而使液體質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力減弱所至。但 對(duì)于對(duì)于鑄鐵、銅及其合金則相反鑄鐵、銅及其合金則相反，即溫度升高，即溫度升高 表面張力反而增加，其原因尚不清楚。表面張力反而增加，其原因尚不清楚。 （3）溶質(zhì)元素）溶質(zhì)元素 溶質(zhì)元素對(duì)液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類：溶質(zhì)元素對(duì)液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類： 一類是使一類是使 表面張力降低表面張力降低的溶質(zhì)元素，即的溶質(zhì)元素，即 ，

27、 （c為溶質(zhì)濃度），這類溶質(zhì)對(duì)該金屬而言，稱為液態(tài)為溶質(zhì)濃度），這類溶質(zhì)對(duì)該金屬而言，稱為液態(tài) 金屬的金屬的表面活性元素表面活性元素，而且，而且具有正吸附作用具有正吸附作用，即溶質(zhì)表，即溶質(zhì)表 面的濃度大于內(nèi)部的濃度。面的濃度大于內(nèi)部的濃度。 另一類是使液態(tài)金屬另一類是使液態(tài)金屬表面張力增加表面張力增加的溶質(zhì)，的溶質(zhì)， 即即 ，對(duì)該金屬而言，稱為液態(tài)金屬的，對(duì)該金屬而言，稱為液態(tài)金屬的表面非活表面非活 性元素性元素，具有負(fù)吸附作用具有負(fù)吸附作用，即溶質(zhì)在表面的濃度小，即溶質(zhì)在表面的濃度小 于在內(nèi)部的濃度。于在內(nèi)部的濃度。 0 dc d 0 dc d 表面活性元素與表面非活性元素是指表面活性元素

28、與表面非活性元素是指某某 種元素對(duì)某種金屬而言種元素對(duì)某種金屬而言。 使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性 元素元素，“活性活性”之義為表面濃度大于內(nèi)之義為表面濃度大于內(nèi) 部濃度，如鋼液和鑄鐵液中的部濃度，如鋼液和鑄鐵液中的s即為表面即為表面 活性元素，也活性元素，也稱正吸附元素稱正吸附元素。 提高表面張力的元素叫表面非活性元素，提高表面張力的元素叫表面非活性元素， 其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附 元素。元素。 下圖為各種溶質(zhì)元素對(duì)下圖為各種溶質(zhì)元素對(duì)al、mg和鑄鐵和鑄鐵 液表面張力的影響液表面張力的影響 圖2-6 圖2-

29、7 圖2-8 表面活性元素的應(yīng)用：表面活性元素的應(yīng)用： 在合金中加入少量（或微量）的表面活性元在合金中加入少量（或微量）的表面活性元 素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表張素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表張 力，從而阻礙該相的生長(zhǎng)，達(dá)到細(xì)化該相的目力，從而阻礙該相的生長(zhǎng)，達(dá)到細(xì)化該相的目 的，從而提高合金的機(jī)械性能。的，從而提高合金的機(jī)械性能。 例：例：在在al-si（si5%）合金中，加入表面活性）合金中，加入表面活性 元素元素na、稀土、稀土、sr等，使這些表面活性元素吸等，使這些表面活性元素吸 附在共晶硅的周圍，阻止該相的生長(zhǎng)，使片狀附在共晶硅的周圍，阻止該相的生長(zhǎng)，使片狀

30、共晶硅長(zhǎng)成桿狀或粒狀，細(xì)化了合金的組織提共晶硅長(zhǎng)成桿狀或粒狀，細(xì)化了合金的組織提 高了合金的力學(xué)性能（高了合金的力學(xué)性能（生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理）生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理）。 表面活性元素就是第五章中所講的強(qiáng)成分過(guò)冷表面活性元素就是第五章中所講的強(qiáng)成分過(guò)冷 元素（生產(chǎn)中稱為變質(zhì)劑）。元素（生產(chǎn)中稱為變質(zhì)劑）。 3.表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù) 中的意義中的意義 圖2-9 由于表面張力的作用，液態(tài)在細(xì)管中產(chǎn)生了由于表面張力的作用，液態(tài)在細(xì)管中產(chǎn)生了 一個(gè)附加壓力一個(gè)附加壓力p(由表面張力產(chǎn)生的附近壓力叫由表面張力產(chǎn)生的附近壓力叫 拉普拉斯壓力拉普拉斯壓力)： 12 11 ()p r

31、r 2 p r 因表面張力而產(chǎn)生的曲面為球面時(shí)因表面張力而產(chǎn)生的曲面為球面時(shí)r1=r2（r1、 r2為液體曲面上兩個(gè)相互垂直弧線的曲率半徑），為液體曲面上兩個(gè)相互垂直弧線的曲率半徑）， 上式可變?yōu)椋荷鲜娇勺優(yōu)椋?該式用利也可測(cè)試該式用利也可測(cè)試 表面張力表面張力 顯然附加壓力與管道半徑成反比顯然附加壓力與管道半徑成反比，毛細(xì)管毛細(xì)管 現(xiàn)象不僅在圓形截面管中產(chǎn)生，在任何一個(gè)狹現(xiàn)象不僅在圓形截面管中產(chǎn)生，在任何一個(gè)狹 窄的管口、裂縫和細(xì)孔中皆能出現(xiàn)。窄的管口、裂縫和細(xì)孔中皆能出現(xiàn)。 當(dāng)當(dāng)r很小時(shí)將產(chǎn)生很大的附加壓力，對(duì)液態(tài)很小時(shí)將產(chǎn)生很大的附加壓力，對(duì)液態(tài) 成形成形(鑄造鑄造)過(guò)程中液態(tài)合金的充型

32、性能和鑄件產(chǎn)過(guò)程中液態(tài)合金的充型性能和鑄件產(chǎn) 生很大影響。因此，生很大影響。因此，澆注薄小鑄件時(shí)必須提高澆澆注薄小鑄件時(shí)必須提高澆 注溫度和壓力注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。，以克服附加壓力的阻礙。 液態(tài)成形過(guò)程中所用的液態(tài)成形過(guò)程中所用的鑄型或涂料材料的選鑄型或涂料材料的選 擇是比較嚴(yán)格擇是比較嚴(yán)格的。首先所選擇的材料與液態(tài)合金的。首先所選擇的材料與液態(tài)合金 應(yīng)是不潤(rùn)濕的，如應(yīng)是不潤(rùn)濕的，如采用采用sio2、cr2o3和石墨砂等和石墨砂等 材料。在這些細(xì)小砂粒之間的縫隙中，將會(huì)產(chǎn)生材料。在這些細(xì)小砂粒之間的縫隙中，將會(huì)產(chǎn)生 阻礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使鑄件表面阻礙液態(tài)合金滲入的附

33、加壓力，從而使鑄件表面 得以光潔，避免機(jī)械粘砂。得以光潔，避免機(jī)械粘砂。 金屬凝固后期，枝晶之間存在的液膜金屬凝固后期，枝晶之間存在的液膜 小至微米時(shí)，小至微米時(shí)，表面張力對(duì)鑄件的凝固過(guò)程表面張力對(duì)鑄件的凝固過(guò)程 的補(bǔ)縮狀況對(duì)是否出現(xiàn)熱裂缺陷有重大的的補(bǔ)縮狀況對(duì)是否出現(xiàn)熱裂缺陷有重大的 影響影響。 在近代新材料的研究和開(kāi)發(fā)中，如復(fù)在近代新材料的研究和開(kāi)發(fā)中，如復(fù) 合材料，界面現(xiàn)象更是擔(dān)當(dāng)著重要的角色。合材料，界面現(xiàn)象更是擔(dān)當(dāng)著重要的角色。 總之，界面現(xiàn)象影響到液態(tài)成形加工總之，界面現(xiàn)象影響到液態(tài)成形加工 的整個(gè)過(guò)程，晶體成核及生長(zhǎng)、縮松、熱的整個(gè)過(guò)程，晶體成核及生長(zhǎng)、縮松、熱 裂、夾雜及氣泡等

34、鑄造缺陷都與界面張力裂、夾雜及氣泡等鑄造缺陷都與界面張力 關(guān)系密切。關(guān)系密切。 2-4 2-4 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力 一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念 二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)的機(jī)理及充型能力二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)的機(jī)理及充型能力 的表達(dá)式的表達(dá)式 三、影響充型能力的因素及提高充型能力三、影響充型能力的因素及提高充型能力 的措施的措施 一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念 1.流動(dòng)性 液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力，是金屬的 鑄造性能之一。它僅與金屬本身的化學(xué) 成分，溫度，雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有 關(guān)。 2.（流動(dòng)性測(cè)試）合金的螺旋形流動(dòng)（流

35、動(dòng)性測(cè)試）合金的螺旋形流動(dòng) 性實(shí)驗(yàn)性實(shí)驗(yàn) 在相同的條件下澆注各在相同的條件下澆注各 種合金的流動(dòng)性試樣，種合金的流動(dòng)性試樣， 以試樣的長(zhǎng)度表示該合以試樣的長(zhǎng)度表示該合 金的流動(dòng)性，并以所測(cè)金的流動(dòng)性，并以所測(cè) 得的合金流動(dòng)性表示合得的合金流動(dòng)性表示合 金的充型能力。金的充型能力。 圖2-10 3.充型能力充型能力 液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀液態(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；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、冷充型能力弱則可能產(chǎn)

36、生澆不足、冷 隔；充型能力過(guò)強(qiáng)則可能產(chǎn)生砂眼、隔；充型能力過(guò)強(qiáng)則可能產(chǎn)生砂眼、 鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂 等缺陷。等缺陷。 液態(tài)金屬的充型能力取決于：液態(tài)金屬的充型能力取決于： 內(nèi)因內(nèi)因 金屬本身的流動(dòng)性金屬本身的流動(dòng)性 外因外因 鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等 因素的影響，因素的影響，是各種因素的綜合反映。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 金屬種金屬種 類類 鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm） 砂砂 型型 金金 屬屬 型型 熔模鑄熔模鑄 造造 殼殼 型型壓壓 鑄鑄 灰灰

37、鑄鑄 鐵鐵 3 34 40.4-0.80.4-0.8 0.8-0.8- 1.51.5 - 鑄鑄 鋼鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5- 鋁鋁 合合 金金 3 33-43-4- 0.6-0.6- 0.80.8 二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)的機(jī)理及充型能力的表達(dá)式二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)的機(jī)理及充型能力的表達(dá)式 1.停止流動(dòng)的機(jī)理停止流動(dòng)的機(jī)理 （1） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 澆注兩種金屬的流動(dòng)性試樣： 純al：結(jié)晶溫度區(qū)間 al-5%sn：結(jié)晶溫度區(qū)間很寬 觀察兩種試樣縱剖面的宏觀組織（試樣頭部結(jié)構(gòu)）： 純al： al-5%sn： 0t 430t 柱狀晶 試樣末端有縮孔 等軸晶 離澆口越遠(yuǎn),

38、晶粒越細(xì) 試樣末端凸起 （2）現(xiàn)象分析（停止流動(dòng)機(jī)理） 第一類：純金屬、共晶成分合金及凝固溫度第一類：純金屬、共晶成分合金及凝固溫度 第二類：寬凝固溫度區(qū)間合金停止第二類：寬凝固溫度區(qū)間合金停止 很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖 流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖 前端析出前端析出1520的固相量的固相量 時(shí)，流動(dòng)就停止。時(shí)，流動(dòng)就停止。 充型能力強(qiáng)充型能力強(qiáng) 圖2-12 第一類金屬（凝固溫度區(qū)間窄的金屬）停止流動(dòng)的原因：第一類金屬（凝固溫度區(qū)間窄的金屬）停止流動(dòng)的原因： 由于液流末端之前的某個(gè)部位從型壁向中心生長(zhǎng)的柱 狀晶互相接觸（或被氧化膜阻塞），流動(dòng)通道被阻塞。 這種凝

39、固方式稱為逐層凝固。 第二類金屬（凝固溫度區(qū)間寬的金屬）停止流動(dòng)的原因：第二類金屬（凝固溫度區(qū)間寬的金屬）停止流動(dòng)的原因： 液態(tài)金屬在流動(dòng)過(guò)程中，溫度沿程下降，而前端冷卻 最快，首先結(jié)晶，且晶體分布于整個(gè)鑄件斷面，當(dāng)晶體 達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，枝晶構(gòu)成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，阻止金屬的流 動(dòng)，使通道阻塞。 這種凝固方式稱為體積（糊狀）凝固。 由上分析看出，由于合金的凝固溫度區(qū)間（范圍）不 同，決定了合金是逐層凝固方式還是體積凝固方式，即 決定了合金的凝固特性，也決定了合金的充型能力。因 此合金的凝固特性主要由合金的凝固溫度范圍所決定的。 2.充型能力表達(dá)式充型能力表達(dá)式 設(shè)將合金澆注到一水平棒形 試樣中，合金的

40、充型能力用 表示，則： l l 式中： 靜壓頭h下，液態(tài)金屬在型腔中的平均流速 gh2 （ 流量消耗系數(shù)， ） 1 液態(tài)金屬進(jìn)入型腔到停止流動(dòng)的時(shí)間。近似 等于澆注時(shí)間 圖2-13 充型能力物理模型 三、影響充型能力的因素及提高三、影響充型能力的因素及提高 充型能力的措施充型能力的措施 1. 金屬性質(zhì)方面的因素金屬性質(zhì)方面的因素 2. 鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型性質(zhì)方面的因素 3.澆注條件方面的因素澆注條件方面的因素 4.鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素 1. 金屬性質(zhì)方面的因素金屬性質(zhì)方面的因素 （1）合金成分：純金屬、共晶和金屬間化合物成分）合金成分：純金屬、共晶和金屬間化合物成分 的合金

41、：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由的合金：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(duì)表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對(duì) 液體的流動(dòng)阻力小，則液體的流動(dòng)阻力小，則 大，合金液流動(dòng)時(shí)間大，合金液流動(dòng)時(shí)間 長(zhǎng)，長(zhǎng)， 所以流動(dòng)性所以流動(dòng)性 好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng)好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng) 性差。性差。 l （2）結(jié)晶潛熱（）結(jié)晶潛熱（l）：）：l約為液態(tài)金屬熱量的約為液態(tài)金屬熱量的 8590%, 對(duì)于純金屬、共晶和金屬間化合物成分對(duì)于純金屬、共晶和金屬間化合物成分 的合金，放出的潛熱越多，凝固過(guò)程進(jìn)行得越慢，的合金，放出的潛熱越多，

42、凝固過(guò)程進(jìn)行得越慢， 流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫 度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大（潛熱散失約度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大（潛熱散失約 20%后，流動(dòng)就停止）。后，流動(dòng)就停止）。 （3）合金液的比熱）合金液的比熱c1 、密度、密度1越大越大 ，導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)1越小越小, 合金保持流動(dòng)的時(shí)間合金保持流動(dòng)的時(shí)間 越長(zhǎng)，充型能力越長(zhǎng)，充型能力 越好；越好； （4）合金液的粘度：在充型過(guò)程前期（屬紊流）對(duì)流動(dòng)）合金液的粘度：在充型過(guò)程前期（屬紊流）對(duì)流動(dòng) 性的影響較小，而在充型過(guò)程后期凝固中（屬層流）對(duì)流性的影響較小，而在充型過(guò)程后期凝固中（屬層流）對(duì)流 動(dòng)性影響較大；動(dòng)性影響較大； （5）表面張力：附加靜壓頭和鑄件輪廓的清晰程度。）表面張力：附加靜壓頭和鑄件輪廓的清晰程度。 l 2.鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型性質(zhì)方面的因素 （1）鑄型的蓄熱系數(shù)）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，就越短， 充型能力充型能力 就越差。就越