液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

1、上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University第一章第一章 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)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University本課程的內(nèi)容本課程的內(nèi)容v 第一章：液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)v 第二章：液態(tài)金屬的流動(dòng)與充型v 第三章：液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程和結(jié)晶組織v 第四章：液態(tài)金屬的凝固v 第五章：金屬凝固組織的控制v 第六章：凝固宏觀偏析v 第七章：金屬中的氣體與氣孔v 第八章：縮孔與縮松v 第九章：熱裂和冷裂v 第十章：特種凝固技術(shù)（先進(jìn)材料）、課程總結(jié)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University本章目錄本章目錄-液

2、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)v 第一節(jié) 金屬的膨脹及熔化v 第二節(jié) 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)v 第三節(jié) 液態(tài)金屬的性質(zhì)v 第四節(jié) 液態(tài)金屬的研究方法和研究概況上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University晶體中原子的結(jié)合晶體中原子的結(jié)合： 晶體的結(jié)構(gòu)和性能主要決定于組成晶體的原子結(jié)構(gòu)和它們之間的相互作用力及熱運(yùn)動(dòng)。各種不同的晶體其結(jié)合力的類型和大小是不同的。但是在任何晶體中，兩個(gè)原子間的相互作用力或相互作用勢(shì)能與它們之間距離的關(guān)系在性質(zhì)上是相同的。第一節(jié)第一節(jié) 金屬的膨脹與熔化金屬的膨脹與熔化上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 當(dāng)兩個(gè)原子相距

3、無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，相互作用力為零，當(dāng)兩原子靠近時(shí)，原子間產(chǎn)生作用力( F0）,并隨距離的繼續(xù)縮短而迅速增大。作用力F是由引力和斥力構(gòu)成的合力，吸引力是異性電荷間的庫(kù)侖引力，排斥力是同性電荷之間的庫(kù)侖斥力和泡里原理引起的斥力之和。 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 兩個(gè)原子的相互作用勢(shì)能W(R)的曲線如圖1-1b所示?？捎孟率接?jì)算相互作用力，當(dāng)R增加dR時(shí)，力F就靠勢(shì)能W(R)減小作外功FdR。因此得到 F(R)dR=-dW(R) 當(dāng)R=R0 時(shí)，F(xiàn)(R0)=0， 對(duì)應(yīng)于能量的極小值，狀態(tài)穩(wěn)定。原子之間傾向于保持一定的間距，這就是在一定條件下，金屬中的原子具有一定排列的

4、原因。 當(dāng)R=R1時(shí)，吸引力最大， 對(duì)應(yīng)能量曲線的拐點(diǎn)。當(dāng)RR1時(shí)，吸引力開(kāi)始減小，勢(shì)能向最大值轉(zhuǎn)折。 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 晶體中原子并不是固定不動(dòng)的，只要溫度高于熱力學(xué)溫度0K，每個(gè)原子皆在平衡位置附近振動(dòng)，即所謂熱振動(dòng)。溫度升高時(shí)振動(dòng)能量增加，振動(dòng)頻率和振幅加大。以雙原子為模型（圖1-2），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(dòng)原子的振幅增大。此時(shí)，若該原子以Ro為原點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則其平衡位置仍是Ro，就不會(huì)發(fā)生膨脹。勢(shì)能曲線向右是水平漸近線，向左是垂直漸近線，是極不對(duì)稱的。當(dāng)溫度升高，能量從W0W1W2

5、W3W4 時(shí)，其間距（振幅中心位置）將由RoR1R2R3R4 。原子間距離將隨溫度的升高而增加，即產(chǎn)生熱膨脹。 金屬的膨脹金屬的膨脹上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 溫度升高時(shí)，原子的振動(dòng)能量增大。原子作熱振動(dòng)時(shí)，一偏離平衡位置，就引起勢(shì)能升高動(dòng)能降低。當(dāng)動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能時(shí)，原子則不能繼續(xù)偏離，此時(shí)所能偏離的距離，就是原子的最大偏離距離。以后在引力或斥力的作用下，原子向平衡位置返回運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能又逐漸轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。到達(dá)平衡位置時(shí)，勢(shì)能為最小值，動(dòng)能達(dá)到最大值。在動(dòng)能作用下，原子繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直到動(dòng)能又全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。如此反復(fù)，振動(dòng)不已。如前所述，由于勢(shì)能曲線是極不

6、對(duì)稱的，向左振動(dòng)時(shí)，動(dòng)能很快就全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，原子所能達(dá)到的最大偏離位置較小。而向右振動(dòng)，則需較大的偏離，動(dòng)能才全部轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，振幅的中心位置則由RoR1 。但是，這種膨脹只改變?cè)拥拈g距，并不改變?cè)优帕械南鄬?duì)位置。 金屬的膨脹金屬的膨脹上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 純鐵在室溫下是體心立方結(jié)構(gòu)，稱為-Fe。將純鐵加熱，當(dāng)溫度到達(dá)到910時(shí)，由-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe，-Fe是面心立方結(jié)構(gòu)。繼續(xù)升高溫度，到達(dá)1390時(shí)，-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe，它的結(jié)構(gòu)與-Fe一樣，是體心立方結(jié)構(gòu)。純鐵隨著溫度增加，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為相變相變。發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫

7、度稱為相變溫度相變溫度。 金屬的膨脹金屬的膨脹上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 晶體中每個(gè)原子的振動(dòng)能量不是均等的，振動(dòng)方向雜亂無(wú)章。每個(gè)原子在三維方向都有相鄰的原子，經(jīng)常相互碰撞，交換能量。在碰撞時(shí)，有的原子將一部分能量傳給別的原子，而本身的能量降低了。結(jié)果是每時(shí)每刻都有一些原子的能量超過(guò)原子的平均能量，有些原子的能量則遠(yuǎn)小于平均能量。這種能量的不均勻性稱為“能量能量起伏起伏”。由于能量起伏，一些原子則可能越過(guò)勢(shì)壘跑到原子之間的間隙中或金屬表面，而失去大量能量，在新的位置上作微小振動(dòng)（圖1-3）。 金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生 上大冶金

8、先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 離位原子一旦有機(jī)會(huì)獲得能量，又可以跑到新的位置上。如此下去，它可以在整個(gè)晶體中“游動(dòng)”，這個(gè)過(guò)程稱為內(nèi)蒸內(nèi)蒸發(fā)發(fā)。不同金屬原子之間的相互擴(kuò)散就是內(nèi)蒸發(fā)造成的。當(dāng)結(jié)點(diǎn)上的原子跑到間隙中時(shí)，就會(huì)把周圍的原子擠開(kāi)些。離位原子可能會(huì)跑到金屬表面，甚至跑出金屬以外，造成金屬的蒸發(fā)。原子離開(kāi)點(diǎn)陣后，留下了自由點(diǎn)陣空穴空穴。 金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai Universi

9、ty 空穴的產(chǎn)生使局部地區(qū)能壘降低，鄰近的原子則進(jìn)入空穴位置，造成空穴的移動(dòng)。這樣，在實(shí)際晶體中，除按一定點(diǎn)陣排列的原子外，尚有離位原子和空穴。空穴首先產(chǎn)生于金屬表面，再?gòu)谋砻嫦騼?nèi)部擴(kuò)展。溫度越高，原子的能量就越大，產(chǎn)生的空穴數(shù)目越多，從而使金屬膨脹。在熔點(diǎn)附近，空穴數(shù)目在熔點(diǎn)附近，空穴數(shù)目可達(dá)原子總數(shù)的可達(dá)原子總數(shù)的10%。 因此，除原子間距增大造成膨脹之外，空穴的產(chǎn)生也是物因此，除原子間距增大造成膨脹之外，空穴的產(chǎn)生也是物體膨脹的原因之一體膨脹的原因之一 。金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生金屬膨脹過(guò)程中空穴的產(chǎn)生 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 實(shí)驗(yàn)證明，金屬的

10、熔化是從晶界開(kāi)始的金屬的熔化是從晶界開(kāi)始的。由于晶界上原子排列的相對(duì)不規(guī)則性，許多原子偏離平衡位置，具有較高的勢(shì)能。把金屬加熱到熔點(diǎn)附近時(shí)，離位原子數(shù)大為增加。在外力的作用下，這些原子作定向運(yùn)動(dòng)，造成晶粒間的相對(duì)流動(dòng)，稱為晶界粘晶界粘滯流動(dòng)滯流動(dòng)。晶粒內(nèi)部，也有相當(dāng)數(shù)量的原子頻頻跳躍、離位，空穴數(shù)大為增加。接近熔點(diǎn)時(shí)，晶界上的原子則可能脫離原晶粒表面，向鄰近晶粒跳躍，晶粒逐漸失去固定形狀。 金屬的熔化金屬的熔化上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 將金屬加熱至熔點(diǎn)時(shí)，金屬體積突然膨脹35%，等于固態(tài)金屬?gòu)臒崃W(xué)溫度零度加熱到熔點(diǎn)前的總膨脹量。金屬的其它性質(zhì)如電阻、

11、粘性等發(fā)生突變，吸收大量熱能熔化潛熱熔化潛熱，而金屬的溫度不升高。這些突變現(xiàn)象是不能僅僅用離位原子和空穴數(shù)目的增加加以解釋的。因?yàn)榭昭〝?shù)目的增加不可能是突變的。因此，對(duì)于這種突變，應(yīng)當(dāng)理解為金屬已熔化，已由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，發(fā)生狀態(tài)改變?cè)斐傻摹?金屬的熔化金屬的熔化上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 從圖1-1可以看出，假設(shè)在熔點(diǎn)附近原子間距達(dá)到了R1，原子具有很高的能量，很容易超過(guò)勢(shì)壘而離位。但是在相鄰原子最大引力作用下，仍然要向平衡位置運(yùn)動(dòng)。雖然此時(shí)離位原子和空穴大為增加，金屬仍表現(xiàn)為固體性質(zhì)。若此時(shí)從外界供給足夠的能量熔化潛熱，使原子間距離超過(guò)R1，原子間的引

12、力急劇減小，從而造成原子結(jié)合鍵突然破壞，金屬則從固態(tài)進(jìn)入熔化狀態(tài)。熔化潛熱使晶粒瓦解，液體原子具有更高的能量，而金屬的溫度并不升高。金屬的熔化金屬的熔化上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University液態(tài)金屬與固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的差別：液態(tài)金屬與固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的差別： 液體介于氣體和固體之間，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明它更接近于固體，特別是在接近熔點(diǎn)附近更是如此。 首先，從熔化潛熱和汽化潛熱的對(duì)比上來(lái)看，汽化潛熱Lg與熔化潛熱Ll之間的比值（Lg /Ll）是很大的，如表11所示。以面心立方結(jié)構(gòu)為例，其汽化潛熱比熔化潛熱大20倍

13、以上，這就意味著將固體原子完全變成氣態(tài)所需的能量要比將同樣的原子從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)所需的能量多20多倍。 第二節(jié)第二節(jié) 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 以金屬鋁為例，其在固態(tài)時(shí)的配位數(shù)為12，而在氣態(tài)時(shí)為0。因此，將金屬鋁從固態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)，就意味著要破壞一個(gè)原子周圍12個(gè)近鄰的金屬鍵。每個(gè)結(jié)合鍵由兩個(gè)原子來(lái)承擔(dān)，故一個(gè)原子其結(jié)合鍵的數(shù)量為6，在金屬內(nèi)部每個(gè)原子的潛熱應(yīng)等于破壞6個(gè)結(jié)合鍵所做的功，也就是6個(gè)結(jié)合鍵的能量。當(dāng)金屬鋁在熔化時(shí)，其結(jié)

14、合鍵不完全被破壞，可以認(rèn)為其結(jié)合鍵有6（127）0.2 個(gè)被破壞,或者每個(gè)結(jié)合鍵被削弱了1/27。從上例可以看出，液態(tài)與固態(tài)相比，其原子結(jié)合鍵的削弱是不大的。由此可見(jiàn)，液體的結(jié)構(gòu)與固體的結(jié)構(gòu)是有相似之處的。 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 表12為部分金屬熵值的變化，表中列出了這些金屬?gòu)?5到熔點(diǎn)間熵值變化，熔點(diǎn)時(shí)金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)熵值的變化及它們之間的比值?？梢?jiàn)，在金屬原子由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，其熵值的增加相對(duì)于熔點(diǎn)前的熵值并不算大，特別對(duì)于金屬活性較強(qiáng)的元素更是如此。熵的增值愈大，意味著金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)原子的排列結(jié)構(gòu)紊

15、亂性愈大；反之，其紊亂性就愈小。所以，從金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)過(guò)程中熵的增值來(lái)看，可以再次說(shuō)明，在熔點(diǎn)附近金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)與固態(tài)結(jié)構(gòu)相差不會(huì)太大。 上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 以上分析結(jié)果表明，金屬熔化后，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)： (1) 原子間仍保持較強(qiáng)的結(jié)合能，因此原子排列在較小距離內(nèi)仍具有一定規(guī)律性，且其平均原子間距增加不大。金屬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這種僅在原子集團(tuán)內(nèi)的有序

16、排列稱為近程有序排列（列（short range order）。）。金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University(2) 由于液體中原子熱運(yùn)動(dòng)的能量較大，每個(gè)原子在三維方向都有相鄰的原子，經(jīng)常相互碰撞，交換能量。在碰撞時(shí)，有的原子將一部分能量傳給別的原子，而本身的能量降低了。結(jié)果是每時(shí)每刻都有一些原子的能量超過(guò)原子的平均能量，有些原子的能量則遠(yuǎn)小于平均能量。這種能量的不均勻性稱為能量起伏能量起伏（fluctuation of energy）。 金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai Univers

17、ity(3) 液體中存在的能量起伏造成每個(gè)原子集團(tuán)內(nèi)具有較大動(dòng)能的原子能克服鄰近原子的束縛（原子間結(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)變的狀態(tài)，時(shí)而長(zhǎng)大時(shí)而變小，時(shí)而產(chǎn)生時(shí)而消失，此起彼落，猶如在不停頓地游動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的瞬息變化稱為結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏（fluctuation of structure）。金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University(4)原子集團(tuán)之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴”?？昭ㄅc原子

18、集團(tuán)一樣，均處于不斷游動(dòng)狀態(tài)。(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。同時(shí)由于液相中存在的能量起伏，各原子集團(tuán)的平均尺寸也是不同的。金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 上述特點(diǎn)決定了理想液態(tài)金屬的基本特征： 1、有固定的體積。 2、有很好的流動(dòng)性。 3、各種物理化學(xué)性質(zhì)接近于固態(tài)，而遠(yuǎn)離氣態(tài)。 金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 實(shí)際上，純金屬是不存在的。實(shí)際金屬中，即使非常純的實(shí)際金屬中總存在

19、著大量雜質(zhì)原子。如純度為99.999999%的純鐵，每1cm3鐵液中所含雜質(zhì)原子數(shù)約相當(dāng)于1015個(gè)數(shù)量級(jí)。 當(dāng)金屬中存在第二種原子時(shí)（如合金），情況就更復(fù)雜。實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 實(shí)際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)中存在的兩種起伏：一種是能量起伏，表現(xiàn)為各個(gè)原子間能量的不同和各個(gè)原子集團(tuán)間尺寸的不同；另一種是濃度起伏，表現(xiàn)為各個(gè)原子集團(tuán)之間成分的不同。 所以實(shí)際金屬在微觀上是由成分和結(jié)構(gòu)不同的游動(dòng)原子集團(tuán)、空穴和許多固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成，它是一種“混濁”的液體。實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)上大冶金 先進(jìn)凝

20、固技術(shù)中心 Shanghai University液態(tài)金屬的粘滯性：液態(tài)金屬的粘滯性： 1、概念 粘滯性在流體力學(xué)中有兩個(gè)概念，一個(gè)是動(dòng)力粘度，另一個(gè)是運(yùn)動(dòng)粘度。 動(dòng)力粘度：用牛頓液體粘滯流動(dòng)定律，可表示為 ：第三節(jié)第三節(jié) 液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬的性質(zhì)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 上述表達(dá)式僅反映了宏觀的外在規(guī)律，沒(méi)有反映微觀的內(nèi)在規(guī)律。根據(jù)弗倫克爾的液態(tài)結(jié)構(gòu)理論，粘滯系數(shù)可用下式表示： 左式表明，粘滯性與3成反比，與激活能U成正比。U和都反映了原子間結(jié)合力的強(qiáng)弱，因此，粘滯性的本質(zhì)是原子間結(jié)合力的大小。 液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性上大冶金 先進(jìn)凝固

21、技術(shù)中心 Shanghai University 運(yùn)動(dòng)粘度：運(yùn)動(dòng)粘度為動(dòng)力粘度與密度的比值，即： = /式中 運(yùn)動(dòng)粘度 液體密度 上式表明，動(dòng)力粘度相同時(shí)，密度大者，運(yùn)動(dòng)粘度小。液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University (1)溫度：溫度不太高時(shí)，T升高，值下降。溫度很高時(shí)，T升高，值升高（圖1-4）。 (2)化學(xué)成分：難熔化合物粘度較高，共晶成分合金粘度較低。對(duì)Fe-C合金，隨C升高，溶液密度下降，在亞共晶成分前熔點(diǎn)也下降，所以粘度降低（圖1-5）。 (3)非金屬夾雜物：非金屬夾雜物使粘度增加，非金屬夾雜物越多，影響越大。 影響粘度的因

22、素影響粘度的因素上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University1-wc=0.75%2-wc=2.1%3-wc=2.52 2.55%4-wc=3.4 3.43%5-wc=4.4%影響粘度的因素影響粘度的因素上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University (1)對(duì)液態(tài)金屬流動(dòng)狀態(tài)的影響：一般情況下，液態(tài)金屬在澆注和型腔中的流動(dòng)為紊流，只有在型腔的細(xì)薄部分或充型后期才為層流。流動(dòng)阻力在層流時(shí)受粘度的影響遠(yuǎn)比紊流時(shí)大。流動(dòng)狀態(tài)直接影響鑄坯宏觀質(zhì)量，如氣孔等。 (2)對(duì)液態(tài)金屬對(duì)流的影響：粘度越大，對(duì)流強(qiáng)度越小。近期研究表明，鑄坯的宏觀偏析主要受對(duì)流的影響。 (3

23、)對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響：粘度越大，夾雜物上浮速度越小，越容易滯留在鑄坯中。 粘度對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響粘度對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University概念概念 ： 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)中。結(jié)果導(dǎo)致液態(tài)金屬表面層的質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的力，使液態(tài)表面有自動(dòng)縮小的傾向。這相當(dāng)于在液態(tài)金屬表面有一個(gè)平行于表面且各向大小相等的張力，這個(gè)張力就是表面張力。液態(tài)金屬的表面張力液態(tài)金屬的表面張力上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai Univ

24、ersity上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University影響表面張力的因素影響表面張力的因素 ： (1)熔點(diǎn)：高熔點(diǎn)的物質(zhì)，其原子間結(jié)合力大，其表面張力也大。 (2)溫度：對(duì)于大多數(shù)金屬和合金，溫度升高，表面張力降低。但是對(duì)于鐵碳合金、銅合金，其表面張力隨溫度升高而增大。目前對(duì)此反?，F(xiàn)象尚無(wú)解釋。(3)溶質(zhì)：不同溶質(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，稱為金屬的表面活性物質(zhì)；使表面張力增加的溶質(zhì)元素，成為該金屬的非表面活性物質(zhì)。 液態(tài)金屬的表面張力液態(tài)金屬的表面張力上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University表面張力對(duì)鑄坯質(zhì)量

25、的影響表面張力對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響 ： 表面張力產(chǎn)生附加壓力P=2/r，提高金屬液中氣體析出的阻力。 表面張力產(chǎn)生附加壓力P=2/r，影響金屬液與鑄型的相互作用。附加壓力為正值時(shí)，液面凸起（不潤(rùn)濕），易產(chǎn)生澆不足；附加壓力為負(fù)值，液面下凹（潤(rùn)濕），易產(chǎn)生粘砂缺陷。液態(tài)金屬的表面張力液態(tài)金屬的表面張力上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 到目前為止，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)研究的主要測(cè)試手段是中子散中子散射（射（neutron scattering）與）與X射線衍射（射線衍射（X-ray diffraction）兩種方法。中子散射的設(shè)備復(fù)雜，一般是核反應(yīng)堆提供中子源，相比而言，X射線衍射設(shè)備較小，比較簡(jiǎn)單。 第四節(jié)第四節(jié) 液態(tài)金屬的研究方法液態(tài)金屬的研究方法上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University Crystalline(Normal) Metal