第二章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1、金陵科技學(xué)院教案【封面】任課系部：材料工程學(xué)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(xué)與工程課程類別必修課公共基礎(chǔ)課；學(xué)科基礎(chǔ)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(xué)時(shí)數(shù)48學(xué)分?jǐn)?shù)3學(xué)時(shí)分配課堂講授 32學(xué)時(shí)； 實(shí)踐課16學(xué)時(shí)教材名稱材料成形基本原理作者劉全坤出版社及出版時(shí)間機(jī)械工業(yè)出版社指定參考書作者出版社及出版時(shí)間材料成形原理陳平昌機(jī)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(xué)院金陵科技學(xué)院教案【教學(xué)單元首頁】第 1次課 授課學(xué)時(shí) 2 教案完成時(shí)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(rèn)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(yīng)用有概略行的認(rèn)識。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：表面張力計(jì)算。難點(diǎn)：液態(tài)金屬的理解。教學(xué)方法與手段PPT多媒體教學(xué)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(qiáng)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(tuán)的“近程有序”排列；即小范

3、圍保持規(guī)律性。 原子集團(tuán)時(shí)刻在變化； 原子集團(tuán)之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”； 原子集團(tuán)的尺寸、游動速度與溫度有關(guān)。其特點(diǎn)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(tuán)簇時(shí)聚時(shí)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(qiáng)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(tuán)簇之間存在著成分差異 。 2.1.2實(shí)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(qiáng)：臨時(shí)不穩(wěn)定化合物如：S在Fe液中，高溫時(shí)完全溶解， 低

4、溫時(shí)析出FeS；A-B非常強(qiáng)：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(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等； 物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、表面張力等； 熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)及其它。 1.熔點(diǎn)和熔化潛熱：確定熔煉和澆鑄溫度 2.沸點(diǎn)和蒸發(fā)熱：熔點(diǎn)和沸點(diǎn)無直接關(guān)系，利用沸點(diǎn)確定熔煉中的蒸發(fā)燒損量，蒸發(fā)熱遠(yuǎn)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(yuǎn)。 3.比容熱：比熱容小，結(jié)晶時(shí)鑄件斷面溫差大，容易出現(xiàn)集中縮孔。 4.導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性好，冷卻速度快，

5、金屬斷面溫度梯度小，熱應(yīng)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(jì)算公式：/(r1+r2) 影響表面張力的因素化學(xué)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(diǎn)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(fù)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(fù)雜的鑄件，而且有助于液態(tài)合金在鑄型中收縮時(shí)得到補(bǔ)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(fù)雜的物理、化學(xué)和流

7、體力學(xué)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(fù)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(shí)間；二是影響液態(tài)金屬在鑄型中的水力學(xué)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(dǎo)熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、動力黏度、表面張力及結(jié)晶特點(diǎn)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(xué)成分不同，其流動性也不同。當(dāng)熔化至液相線以上相同溫度時(shí)，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(dǎo)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(qiáng)度影響其流動時(shí)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(yù)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(qiáng)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(xì)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(dá)到5060%仍具有較好的流動性。 2.4.2 半固態(tài)的優(yōu)點(diǎn) 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(yīng)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(yīng)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(diǎn)，其含義是只有切應(yīng)力超過一定值、（屈服應(yīng)力）之后才開始流動。這是因?yàn)槌^y，才能破壞靜止時(shí)形成的高度空間結(jié)構(gòu)而實(shí)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(biāo)軸一側(cè)，表征著其粘度隨切應(yīng)力、切變速率的增大而逐漸降低的特性，因此而被稱為切應(yīng)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(yīng)力