第二章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1、金陵科技學院教案【封面】任課系部：材料工程學院 材料系 課程名稱金屬材料成型原理課程編號0802407007授課對象專業(yè)材料科學與工程課程類別必修課公共基礎課；學科基礎課；專業(yè)核心課選修課專業(yè)方向課；專業(yè)拓展課；公選課總學時數(shù)48學分數(shù)3學時分配課堂講授 32學時； 實踐課16學時教材名稱材料成形基本原理作者劉全坤出版社及出版時間機械工業(yè)出版社指定參考書作者出版社及出版時間材料成形原理陳平昌機械工業(yè)出版社，2001材料成型原理陳玉喜中國鐵道出版社，2002授課教師楊曉莉職稱副教授單位材料工程學院金陵科技學院教案【教學單元首頁】第 1次課 授課學時 2 教案完成時間： 章、節(jié)第二章 主要內(nèi)容第二

2、章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 第一節(jié) 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 液態(tài)金屬的性質(zhì) 第三節(jié) 液態(tài)金屬的充型能力 第四節(jié) 半固態(tài)合金的流變性及半固態(tài)成形目的與要求了解本課程的性質(zhì)、目的及要求，對材料測試與研究方法有一個全面、系統(tǒng)的認識，熟悉材料現(xiàn)代分析的一般原理和主要方法，對各種材料分析方法的基本原理和基本應用有概略行的認識。重點與難點重點：表面張力計算。難點：液態(tài)金屬的理解。教學方法與手段PPT多媒體教學結(jié)合板書授課內(nèi)容內(nèi) 容備 注2.1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 2.1.1純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu) 原子間保持較強的結(jié)合能，原子的排列在較小的距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且原子間距增加不大。 原子集團的“近程有序”排列；即小范

3、圍保持規(guī)律性。 原子集團時刻在變化； 原子集團之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”； 原子集團的尺寸、游動速度與溫度有關(guān)。其特點是“結(jié)構(gòu)起伏”與“能量起伏”。 “結(jié)構(gòu)起伏”液體中大量不?！坝蝿印敝木钟蛴行蛟訄F簇時聚時散、此起彼伏 。 “濃度起伏” 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)合力較強的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動原子團簇之間存在著成分差異 。 2.1.2實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)雜質(zhì)原子分布不均種類多量大原子間結(jié)合力不同，產(chǎn)生的起伏能量起伏結(jié)構(gòu)起伏濃度起伏以僅含一種雜質(zhì)元素為例:A-B結(jié)合力較強：臨時不穩(wěn)定化合物如：S在Fe液中，高溫時完全溶解， 低

4、溫時析出FeS；A-B非常強：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;假如B-B結(jié)合力>A-A及A-B：吸附甚至分層。2.2 液態(tài)金屬的性質(zhì) 2.2.1 基本概念 物理性質(zhì)：密度、粘度、電導率、熱導率和擴散系數(shù)等； 物理化學性質(zhì)：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、表面張力等； 熱力學性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)及其它。 1.熔點和熔化潛熱：確定熔煉和澆鑄溫度 2.沸點和蒸發(fā)熱：熔點和沸點無直接關(guān)系，利用沸點確定熔煉中的蒸發(fā)燒損量，蒸發(fā)熱遠高于熔化熱，間接證明液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)和氣體相差甚遠。 3.比容熱：比熱容小，結(jié)晶時鑄件斷面溫差大，容易出現(xiàn)集中縮孔。 4.導熱性：導熱性好，冷卻速度快，

5、金屬斷面溫度梯度小，熱應力小。 5.熱膨脹和體積收縮率：絕大多數(shù)金屬熔化后體積增大，密度減小；凝固后體積變小，密度增大。2.2.2 液態(tài)金屬的表面張力 表面張力的本質(zhì) 表面張力W= F 薄膜寬度為b，收一個繃緊力F，則 F=b 為表面張力系數(shù)，或表面張力（N/m）物理意義：薄膜單位長度上所受的繃緊力。由于力F的作用，薄膜被拉長l ，則F對薄膜所做的功W為W=Fl =bl=S做功使得薄膜能量增加E，因此E=W=S則=E/S故表面張力是單位面積上的能量，即表面能。 表面張力引起的附加壓力加壓力： 2/r通用計算公式：/(r1+r2) 影響表面張力的因素化學鍵的影響：金屬鍵>離子鍵>范德

6、華力溫度：升高，表面張力下降。特殊現(xiàn)象（銅和鑄鐵）。T增大，液體質(zhì)點距離增加，彼此作用力下降，表面張力減小。溶質(zhì)元素：正吸附和負吸附；表面活性物質(zhì)和非表面活性物質(zhì)：2.3液態(tài)金屬的充型能力 2.3.1液態(tài)金屬充型能力的基本概念 液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，稱為液態(tài)合金的流動性又叫做充型能力。液態(tài)合金的流動性愈好，不僅易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復雜的鑄件，而且有助于液態(tài)合金在鑄型中收縮時得到補充，有利于液態(tài)合金中的氣體及非金屬夾雜物上浮與排除。若流動性不好，則易使鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷 。 液態(tài)金屬充填鑄型是一個復雜的物理、化學和流

7、體力學問題，涉及到金屬液的各種性質(zhì)，如密度、黏度、表面張力、氧化性、氧化物的性質(zhì)及潤濕性等。充型能力的大小影響鑄件的成型，充型能力較差的合金難以獲得大型、薄壁、結(jié)構(gòu)復雜的健全鑄件。 2.3.2影響充型能力的因素 影響充型的因素是通過兩個途徑發(fā)生作用的:一是影響金屬與鑄型之間的熱交換條件，從而改變金屬液的流動時間；二是影響液態(tài)金屬在鑄型中的水力學條件，從而改變金屬液的流速。影響液態(tài)金屬充型的因素很多，可以歸納為四類:  第一類因素，屬于金屬性質(zhì)方面的，主要有金屬的密度、比熱、導熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、動力黏度、表面張力及結(jié)晶特點等。 不同的合金，其流動性有很大差異，對同種合金而言，

8、化學成分不同，其流動性也不同。當熔化至液相線以上相同溫度時，純金 屬、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于結(jié)晶溫度間 隔最大處的合金其充型能力最小。  第二類因素 屬于鑄型性質(zhì)方面的主要有鑄型的蓄熱系數(shù)、密度、比熱、導熱系數(shù)、溫度、涂料層 和發(fā)氣性、透氣性等。鑄型的阻力影響金屬液的充填速度，鑄型 與液態(tài)金屬的熱交換強度影響其流動時間。因此，通過調(diào)整鑄型 的熱物理性質(zhì)來改善金屬的充型能力往往能收到良好的效果。比 如，預熱鑄型能減少金屬液與鑄型的溫度差，減少兩者的熱交換， 從而提高其充型能力 

9、。 2.4 半固態(tài)合金的流變性及半固態(tài)成形 2.4.1 半固態(tài)的概念 半固態(tài)：金屬在凝固過程中，通過強烈的攪拌或控制凝固技術(shù)，抑制樹枝晶的產(chǎn)生或者破壞樹枝晶，形成具有等軸、均勻、細小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料，這種漿料即便固相顆粒達到5060%仍具有較好的流動性。 2.4.2 半固態(tài)的優(yōu)點 2.4.3 半固化的加工方法 2.4.4 半固態(tài)能夠流動的原因 原因是流變性發(fā)生變化 凡流體以切變方式流動，但其切應力與剪切速率之間為非線性關(guān)系者均稱為非牛頓流體。  非牛頓流體流動的特征是：它不服從牛頓粘度定律，其粘度不是一個常數(shù)，隨著切應力、切變速率的變化而變化。非牛頓流體的類型

10、有賓漢流體、假塑性流體和脹塑性流體等。 幾種流動曲線的比較       (1)賓漢流體：這個類型的流體也稱作賓漢塑性體，如牙膏、油料、地質(zhì)鉆探用的泥漿等。其流動曲線如圖中的D曲線。它與牛頓流體的流動曲線（圖中A曲線）特征相同， 均為直線型，只是它不通過原點，其含義是只有切應力超過一定值、（屈服應力）之后才開始流動。這是因為超過y，才能破壞靜止時形成的高度空間結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)流動。       (2)假塑性體:圖中的曲線B為假塑性體流動的特征曲線，該流體的流動曲線彎向切變速率坐標軸一側(cè)，表征著其粘度隨切應力、切變速率的增大而逐漸降低的特性，因此而被稱為切應力變稀的流體。大多數(shù)熱塑性塑料、橡膠和高分子聚合物溶液等都屬于此類流體。       (3)脹塑流體:圖中的曲線C為脹塑性流體流動的特征曲線，該曲線彎向切應力