液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

關(guān)于液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第1頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1.1

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征、由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型、實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)第2頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)固態(tài)結(jié)構(gòu)一、氣體、液體、固體的衍射特征氣體、液體、固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固態(tài)結(jié)構(gòu)：平移、對(duì)稱性特征（長(zhǎng)程有序）氣態(tài)結(jié)構(gòu)：完全無(wú)序?yàn)樘卣饕后w：長(zhǎng)程無(wú)序(不具備平移、對(duì)稱性)近程有序(“游蕩”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)第3頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月液態(tài)金屬的衍射結(jié)構(gòu)參數(shù)

偶分布函數(shù)g(r)

平均原子間距r1

徑向分布函數(shù)配位數(shù)N1一、氣體、液體、固體的衍射特征第4頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月偶分布函數(shù)g(r)

物理意義：距某一參考粒子r處找到另一個(gè)粒子的幾率，換言之，表示離開(kāi)參考原子（處于坐標(biāo)原點(diǎn)r=0）距離為r位置的原子數(shù)密度ρ(r)對(duì)于平均數(shù)密度ρo（=N/V）的相對(duì)偏差

ρ(r)=ρog(r)氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征第5頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體液體晶體第6頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平均原子間距r1：

對(duì)液體（或非晶固體），對(duì)應(yīng)于g(r)第一峰的位置

r=r1

表示參考原子至其周圍第一配位層各原子的平均原子間距第7頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

徑向分布函數(shù)—RDF：

(radicaldistributionfunction）

RDF=4πr2ρog(r)

表示在r和r+dr之間的球殼中原子數(shù)的多少。

稍高于熔點(diǎn)時(shí)液態(tài)堿金屬（Li、Na、K、Rb、Cs）的徑向分布函數(shù)(RDF)第8頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RDF第一峰之下的積分面積即所謂配位數(shù)N1

RDF=4πr2ρog(r),atoms/?r,?（

第9頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月求法：RDF第一峰之下的積分面積；意義：N1與r1均描繪了液體的原子排布情況配位數(shù)N1：參考原子周圍最近鄰（即第一殼層）的原子數(shù)第10頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CrystalMatterStructureTypeTm(K)Vm/Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.16Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47表1-1金屬熔化時(shí)典型的體積變化Vm/VS表明液體原子間距接近于固體二、由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(Hb/ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb/HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表1-2幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱(Hb)表明熔化時(shí)只有部分原子鍵被破壞第12頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型（自學(xué)部分）（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型（三）液體結(jié)構(gòu)及粒子間相互作用的理論描述第13頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（一）無(wú)規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中五種多面體間隙三角棱柱多面體阿基米德反棱柱多面體四方十二面體四面體八面體第14頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微晶模型：液態(tài)金屬有很多微小晶體和面缺陷組成，在微晶體中金屬原子或離子組成完整的晶體點(diǎn)陣，這些微晶體之間以界面相連接（二）、液體的缺陷模型第15頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月空穴模型：金屬晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大量的空位，從而使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有序性。大量空位的存在使液態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從而具有流動(dòng)性。隨著液態(tài)金屬溫度的提高，空位的數(shù)量也不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小位錯(cuò)模型：液態(tài)金屬可以看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在特定的溫度以上，在低溫條件下不含位錯(cuò)的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而變成液體。第16頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“能量起伏”

—原子間能量不均勻性“結(jié)構(gòu)起伏”—液體中大量不?！坝蝿?dòng)”著的局域有序原子團(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(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異。四、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征第17頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概述§1.2

液態(tài)金屬的性質(zhì)當(dāng)液態(tài)金屬在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于分子間存在內(nèi)聚力，因此使液體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，以阻礙液層間的相對(duì)滑動(dòng)。液體的這種性質(zhì)成為粘滯性，用黏度表征液態(tài)金屬的黏度對(duì)反應(yīng)速度、氣體和雜質(zhì)的排出、流動(dòng)性等有重要影響，因此黏度關(guān)系到鑄件的成形質(zhì)量第18頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外力作用于液體表面各原子層速度

一、液態(tài)金屬的粘度1.定義

粘度系數(shù)2.物理意義：反映液體內(nèi)摩擦的大小第19頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月運(yùn)動(dòng)粘度為動(dòng)力粘度除以密度，即：運(yùn)動(dòng)粘度ν——適用于較大外力作用下的水力學(xué)流動(dòng)，此時(shí)由于外力的作用，液體密度對(duì)流動(dòng)的影響可以忽略。動(dòng)力粘度η——在外力作用非常小的情況下適用，如夾雜的上浮過(guò)程和凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮等均與動(dòng)力粘度系數(shù)η有關(guān)。第20頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘度數(shù)學(xué)模型Kb——Bolzmann常數(shù)；U——無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能τ0——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）δ——液體各原子層之間的間距2.粘度的影響因素粘度η隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加液體的原子之間結(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(dòng)加劇，原子間距增大，η隨之下降；黏度本質(zhì)：原子間結(jié)合力第21頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月η與溫度T的關(guān)系受兩方面，總的趨勢(shì)隨溫度T而下降（見(jiàn)圖1-9）合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響非金屬夾雜物的數(shù)量、狀態(tài)和分布情況對(duì)合金液粘度的影響第22頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

溫度對(duì)粘度的影響圖1－9液體的粘度與溫度的關(guān)系

a）液態(tài)鎳

b）液態(tài)鈷

第23頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響第24頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響若混合熱Hm為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)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）表面活性元素使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高若溶質(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(huì)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)合鍵第25頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非金屬夾雜物對(duì)合金液粘度的影響非金屬夾雜物的數(shù)量、狀態(tài)和分布情況在不同程度上影響合金液的粘度。液態(tài)合金中呈固態(tài)的非金屬夾雜物使液態(tài)金屬的黏度增加，如鋼中的硫化錳、氧化鋁、氧化硅等。主要是因?yàn)閵A雜物的存在使液態(tài)金屬成為不均勻的多相體系，液相流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力增加，夾雜物越多，對(duì)黏度影響越大。但是，有些熔點(diǎn)低的雜質(zhì)在液態(tài)金屬中呈熔融狀態(tài)，反而會(huì)使該液態(tài)金屬的黏度降低。第26頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.黏度在材料成形中的作用和意義:①黏度對(duì)液態(tài)金屬充型速度的影響流體的流動(dòng)狀態(tài)由雷諾數(shù)Re來(lái)決定，當(dāng)Re>2320時(shí)，流體以紊流方式流動(dòng)。第27頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際應(yīng)用：一般，液態(tài)金屬在澆道和型腔中的流動(dòng)都為紊流，只在腔的細(xì)薄部位，或在充型后期，流速下降，才出現(xiàn)層流。紊流的流動(dòng)阻力要比層流阻力小，有利于充型②黏度對(duì)流動(dòng)阻力的影響第28頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③對(duì)液態(tài)金屬對(duì)流的影響產(chǎn)生對(duì)流的條件：溫差和濃度差→浮力→黏滯力

對(duì)流強(qiáng)度：格拉曉夫數(shù)ＧrＴ＝ｇβＴL３△Ｔ／η２Ｇrｃ＝ｇβｃL３

△C／η２動(dòng)力黏度越大，則對(duì)流強(qiáng)度越小液體對(duì)流對(duì)結(jié)晶組織、溶質(zhì)分布、偏析和雜質(zhì)的聚合沉浮有重要影響。βＴ、βｃ分別為由溫差和濃度差引起的金屬液體積膨脹,L水平方向上熱端到冷端距離的一半寬度。第29頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響斯托克斯公式：Ｖ＝２g(ρ液-ρ雜)r２/9η僅當(dāng)ρ雜≤ρ液，夾雜才能上浮，η越大，夾雜及氣泡越難以排除第30頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘度對(duì)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；影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成：對(duì)焊縫的質(zhì)量的影響。第31頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘度對(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)管道直徑較小，雷諾數(shù)值小，流動(dòng)性質(zhì)屬于層流，粘度影響鑄件輪廓的清晰程度消除方法：應(yīng)適當(dāng)提高過(guò)熱度或者加入表面活性物質(zhì)，降低液體的粘度第32頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響熱裂、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(duì)流均屬于層流性質(zhì)，此時(shí)粘度對(duì)流動(dòng)的影響就會(huì)直接影響到鑄件的質(zhì)量。第33頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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和氣體，無(wú)論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，殘留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)性第34頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘度大會(huì)抑制金屬液在型腔內(nèi)的對(duì)流，間接效果：降低晶粒細(xì)化效果；減輕區(qū)域偏析Stokes

公式的應(yīng)用

由上式可見(jiàn),液體的粘度愈大,雜質(zhì)半徑愈小,液體與雜質(zhì)的密度差愈小,雜質(zhì)沉浮速度愈慢,留在鑄件中的可能行就大防止措施：適當(dāng)提高金屬液的過(guò)熱度，以降低粘度，加快夾雜物和氣泡的上浮速度第35頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、液態(tài)合金的表面張力在鑄造合金熔化、澆注、凝固與成形過(guò)程中，存在許多界面問(wèn)題，如精煉劑、孕育劑和變質(zhì)劑與合金熔體之間，合金固體與液體之間等。表面——液體或固體同氣體間的界面第36頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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。1表面張力的實(shí)質(zhì)及產(chǎn)生的原因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，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起表面原子的勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。因此，物體傾向于減小其表面積而產(chǎn)生表面張力。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(huì)顯示很大的作用第37頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、表面自由能與表面張力的關(guān)系表面自由能（表面能）：系統(tǒng)為產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)的自由能增量。設(shè)恒溫恒壓下，表面自由能增量，表面自由能為,使表面△S面積時(shí)，外界對(duì)系統(tǒng)做功為第38頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面能及表面張力從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，單位也可以互換。第39頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、表面與界面界面——任意兩相的交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(shuō)，應(yīng)該是指液體或固體與其蒸汽的界面。表面能和表面張力是界面能和界面張力的特例第40頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月界面能和界面張力的表達(dá)式—A、B兩物體的表面張力—兩個(gè)單位面積界面系向外做的功或者將兩個(gè)界面結(jié)合（拆開(kāi)）外界所做的功當(dāng)兩相間的作用力大時(shí)，越大，則界面張力越小第41頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、表面張力與潤(rùn)濕角潤(rùn)濕θ角是衡量界面張力的標(biāo)志σSG為固—?dú)饨缑鎻埩Γ沪襆S為液—固界面張力；σLG為液—?dú)饨缑鎻埩?rùn)濕θ角：液相與固相的接觸點(diǎn)處液固界面和液態(tài)表面切線的夾角第42頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

潤(rùn)濕角通常用座滴法實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，即將液體滴在光滑的固體表面上，達(dá)到平衡后，從液滴側(cè)面記錄其形態(tài)，然后測(cè)量潤(rùn)濕角。界面的潤(rùn)濕性a)完全潤(rùn)濕b)潤(rùn)濕

c)不潤(rùn)濕d)完全不潤(rùn)濕潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕的區(qū)別以及決定因素—

取決于接觸物質(zhì)之間的界面張力第43頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

影響金屬表面張力的因素主要有熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素。

1)熔點(diǎn)表面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力，故原子間結(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。降低顆粒半徑能夠降低金屬的熔點(diǎn)。5、影響表面張力的因素第44頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2)溫度

表面張力與溫度的關(guān)系隨著液體金屬溫度的升高，液體金屬表面張力下降。對(duì)大多數(shù)液體金屬和合金，表面張力與溫度呈線性關(guān)系。因溫度升高,原子熱能增加，熱運(yùn)動(dòng)劇烈，原子間距變大，致使表面質(zhì)點(diǎn)的受力不對(duì)稱性減弱，因而表面張力下降。當(dāng)液體金屬溫度升高到臨界溫度時(shí)，氣液兩相界面消失，液體表面張力為零。但對(duì)于鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相反，即溫度升高表面張力反而增加。其原因尚不清楚。

第45頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3)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。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素（削弱原子間結(jié)合力），如鋼液和鑄鐵液中的S即為表面活性元素，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。

加入某些溶質(zhì)能改變金屬表面張力，主要是因?yàn)榧尤肴苜|(zhì)后改變了熔體表面的力場(chǎng)分布不對(duì)稱性程度。一種溶質(zhì)對(duì)于某種金屬來(lái)說(shuō)，其表面活性或者非表面活性程度可用Gibbs吸附公式描述第46頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Gibbs吸附公式——單位面積液體內(nèi)多吸附或少吸附的溶質(zhì)量——溶質(zhì)濃度——熱力學(xué)溫度——?dú)怏w常數(shù)隨著溶質(zhì)濃度C增加，表面張力降低，吸附量為正，則溶質(zhì)為表面活性物質(zhì)隨著溶質(zhì)濃度C增加，表面張力上升，吸附量為負(fù)，則溶質(zhì)為非表面活性物質(zhì)第47頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬液的表面張力可以改變鋁液中加入第二元素鎂液中加入第二元素第48頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P、S、Si對(duì)鑄鐵熔液表面張力的影響第49頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面活性元素的應(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)化該相的目的，從而提高合金的機(jī)械性能。例：在Al-Si（Si＞5%）合金中，加入表面活性元素Na、稀土、Sr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（生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理）。

第50頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）原子體積（δ3），價(jià)電子數(shù)Z——原子間距——金屬原子價(jià)——電子電荷表面張力與原子體積（δ3）成反比，與價(jià)電子數(shù)Z成正比。金屬原子體積越大，表面張力越小

當(dāng)溶質(zhì)原子體積大于溶劑原子體積時(shí)，由于造成溶質(zhì)原子排布的畸變而使勢(shì)能增加，所以傾向于被排擠到表面，以降低系統(tǒng)能量。這些富集到表面層的原子，由于其本身體積大，表面張力小，從而使整個(gè)系統(tǒng)的表面張力降低。原子體積很小的原子，如O、S、N等，在金屬中容易進(jìn)到溶劑晶格間隙，使其勢(shì)能增加，從而被排擠到表面，成為富集到表面層的活性物質(zhì)。由于這些原子金屬性很弱，自由電子少，因而表面張力小，使表面張力降低。第51頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義

在鑄造生產(chǎn)中遇到的表面現(xiàn)象很多，如液態(tài)金屬充填鑄型、凈化、熔劑覆蓋等都和表面現(xiàn)象有密切關(guān)系。第52頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.界面張力與潤(rùn)濕角接觸兩相質(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(rùn)濕角越小，稱之為潤(rùn)濕性好。液態(tài)金屬凝固時(shí)析出的固相與液相的界面能越小，已形成的固相易吸收液態(tài)原子而長(zhǎng)大，故形核率越高?！?3頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差(球形曲面)

設(shè)氣相內(nèi)壓力為p1，液相內(nèi)壓力為p2，則兩相壓力差由壓力差產(chǎn)生向上的力為由表面張力產(chǎn)生向下的力為平衡狀態(tài)第54頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差

對(duì)任意曲面：液相為凸面時(shí)（金屬液滴），液滴內(nèi)部壓力大于外部壓力：p1＞p2液相為凹面時(shí)（液相中有氣泡），氣泡內(nèi)部壓力小于外部壓力：p1＜p2平面液體r=∞，附加壓力為0對(duì)柱面（r2→∞)：球形曲面第55頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月要克服鑄型的界面張力，必須增加一個(gè)附加壓頭，且不小于h壓附加壓力靜壓力為了保證金屬充滿型腔，克服此附加壓力，就需要適當(dāng)加大直澆口高度，或提高澆注溫度、預(yù)熱鑄型等措施。3.液態(tài)金屬的充型能力第56頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合理選用砂型粒度。鑄型孔隙大，表面張力小，潤(rùn)濕角小，易粘砂；4.防止因附加壓力引起鑄件黏砂鑄造過(guò)程中金屬液是否侵入砂型毛細(xì)管而形成粘砂，與表面張力引起的附加壓力有關(guān)。通常，金屬液與砂型不潤(rùn)濕，有利于防止金屬液侵入砂型毛細(xì)管而形成粘砂。但毛細(xì)管直徑越大、靜壓頭h越大。越容易產(chǎn)生粘砂。根據(jù)表面張力與靜壓頭的關(guān)系，獲得機(jī)械黏砂的毛細(xì)管臨界直徑第57頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月流動(dòng)性1、概念：液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力。——金屬自身的流動(dòng)能力2、影響因素：成分、溫度、雜質(zhì)含量及物理性質(zhì)。與外界因素?zé)o關(guān)。3、作用：好的流動(dòng)性利于缺陷的防止：（1）補(bǔ)縮；（2）防裂；（3）充型；（4）氣體與雜質(zhì)易上浮?！?.3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第58頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、概念：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。充型能力弱則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔；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、夾砂等缺陷。2、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施內(nèi)因：自身流動(dòng)性外因：型的性質(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。充型能力第59頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常見(jiàn)的鑄件缺陷第60頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月出氣口澆口杯螺旋試樣

試樣的結(jié)構(gòu)和鑄型性質(zhì)固定不變，在相同的條件下澆注各種合金的螺旋形流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度或以試樣某處的厚薄程度表示該合金的流動(dòng)性，并以所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力合金螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)第61頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第62頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月合格試樣不合格試樣第63頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理

對(duì)于純金屬、共晶合金及結(jié)晶溫度范圍很窄的合金，在液態(tài)金屬的過(guò)熱熱量未完全消失以前為純液態(tài)流動(dòng)。隨著液體繼續(xù)向前流動(dòng)，液態(tài)金屬的溫度降至熔點(diǎn)一下，產(chǎn)生一定的過(guò)冷度，型壁處發(fā)生非自發(fā)形核而結(jié)晶，形成凝固殼，且液態(tài)金屬是由表層逐漸向鑄型中心凝固。由于已結(jié)晶的固體層內(nèi)表面比較光滑，對(duì)液流中心部分流動(dòng)阻力小，所以液態(tài)中心部分繼續(xù)向前流動(dòng)。當(dāng)較先結(jié)晶部分從型壁向中心生長(zhǎng)的晶體相互接觸時(shí)，金屬流動(dòng)通道被阻塞，流動(dòng)停止。第64頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理

對(duì)于結(jié)晶溫度范圍很寬的合金，在液態(tài)金屬的過(guò)熱熱量未完全消失以前為純液態(tài)流動(dòng)。隨著液體繼續(xù)向前流動(dòng)，液態(tài)金屬的溫度降至液相線以下，液流中析出晶體，順流前進(jìn)并不斷長(zhǎng)大。液流前端不斷與型壁接觸，冷卻最快，析出晶粒數(shù)最多，使金屬液的黏度增加，流速減慢。當(dāng)晶粒數(shù)量達(dá)到某一臨界值時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)格，金屬流動(dòng)通道被阻塞，流動(dòng)停止。第65頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理寬結(jié)晶溫度合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖第66頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月充型能力的計(jì)算充型過(guò)程：液體金屬的非穩(wěn)定的流動(dòng)過(guò)程l=vt主要是計(jì)算流動(dòng)時(shí)間t三、液態(tài)金屬充型能力的計(jì)算充型能力與流動(dòng)性、鑄件結(jié)構(gòu)、澆注條件及鑄型等諸多條件有關(guān)。第67頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、影響充型能力的因素1.金屬性質(zhì)方面的因素（流動(dòng)性的高低）2.鑄型性質(zhì)方面的因素澆注條件方面的因素鑄件結(jié)構(gòu)方面因素第68頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.金屬性質(zhì)方面的因素合金成分結(jié)晶潛熱金屬的比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)液態(tài)金屬的黏度和表面張力內(nèi)因，決定了金屬本身的流動(dòng)能力-----流動(dòng)性第69頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：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)液體的流動(dòng)阻力小，合金液流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng)性不好；合金成分第70頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ｆｅ-Ｃ合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金成分對(duì)流動(dòng)性的影響第71頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其它元素對(duì)鑄鐵流動(dòng)性的影響

（1）磷鑄鐵中磷量增加，液相線溫度下降，鐵液粘度下降；由于磷共晶增加，固相線溫度也下降，因此，可以提高流動(dòng)性。但是，磷量增加使鑄鐵變脆。通常不用增加磷量提高鑄鐵的流動(dòng)性。第72頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）硅鑄鐵中硅的作用和碳相似，硅量增加，液相線溫度下降。因此，在同一過(guò)熱度下，鑄鐵的流動(dòng)性隨硅量增加而提高。（3）錳錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25％時(shí)，錳本身對(duì)鑄鐵的流動(dòng)性沒(méi)有影響。但是，當(dāng)含硫量增加時(shí)，一方面會(huì)產(chǎn)生較多的MnS夾雜物，懸浮在鐵液中，增加鐵液的粘度，另一方面，含S量越高，越易形成氧化膜，致使鐵液流動(dòng)性降低。第73頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在鑄件凝固過(guò)程中釋放出的總熱量中，金屬的過(guò)熱熱量?jī)H占20%左右，結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的85~90%）。在金屬過(guò)熱溫度較低時(shí)，結(jié)晶潛熱對(duì)充型能力起決定作用；在金屬過(guò)熱溫度較高時(shí)，結(jié)晶潛熱的作用則下降；結(jié)晶潛熱對(duì)不同合金的流動(dòng)性的影響也不同。

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)行的越慢，流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大。結(jié)晶潛熱第74頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Al-Si合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系第75頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原因初生β相是比較規(guī)整的塊狀晶體，且具有較小的強(qiáng)度，不形成堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，能夠以液固混合狀態(tài)在液相線溫度以下流動(dòng)，結(jié)晶潛熱的一發(fā)揮。β相的結(jié)晶潛熱為141×１０４Ｊ／kg,比α相約大三倍。此外，如圖表明，和亞共晶合金對(duì)比，析出相同數(shù)量的固相時(shí)，過(guò)共晶合金具有較高的實(shí)際過(guò)熱度。由于較大的結(jié)晶潛熱而使流動(dòng)性在過(guò)共晶區(qū)繼續(xù)增長(zhǎng)的情況，據(jù)目前的資料，只有鑄鐵（石墨的潛熱為383×１０４Ｊ／kg,，比鐵達(dá)14倍），Pb-Sb和Al-Si合金第76頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬的比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)

比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，在相同的過(guò)熱度下，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，流動(dòng)性好。

導(dǎo)熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)；導(dǎo)熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小，流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。第77頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月黏度黏度大、內(nèi)摩擦力大，降低流速，減小流動(dòng)性。正常澆注時(shí)，呈紊流狀態(tài)，黏度影響小，在充型后期溫度降低，黏度增加，轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)，才有較大的影響。表面張力：表面張力對(duì)薄壁鑄件、鑄件的細(xì)簿部分和棱角的形成有影響。為克服附加壓力的阻礙，必須在正常的充型壓頭上增加一個(gè)附加壓頭h液態(tài)金屬的黏度和表面張力第78頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表面張力液態(tài)金屬充填鑄型尖角處的能力除與表面張力有關(guān)外，還與鑄型的激冷能力有關(guān)。在激冷作用較大的鑄型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低或潤(rùn)濕角。在激冷能力作用較小或預(yù)熱的鑄型中，如果澆注終了在尖角處合金仍為液態(tài)，直澆道中的壓頭則能克服附加壓力，而獲得足夠清晰的鑄件輪廓。如果液態(tài)金屬表面上有能溶解的氧化物，如鑄鐵和鑄鋼中的氧化亞鐵，則潤(rùn)濕鑄型。這時(shí)附加壓力是負(fù)值，有助于金屬液向細(xì)薄部分充填，同時(shí)也有利于金屬液向鑄型砂粒之間的孔隙中滲透，促進(jìn)鑄件表面粘砂的形成。第79頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、鑄型性質(zhì)方面的因素：鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的溫度的影響鑄型中的氣體的影響

第80頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、鑄型性質(zhì)方面的因素（１）鑄型的蓄熱系數(shù)C2ρ2---單位體積的鑄型在溫度升高1℃時(shí)所吸取的熱量。此值大，鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小，使金屬與鑄型之際那在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較大的溫差。

λ2－鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)大，表示從金屬吸取的熱量能很快地由溫度較高的型內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的“后方”，使鑄型參加蓄熱的部分增多，從而能夠儲(chǔ)存更多的熱量，并且鑄型內(nèi)表面的熱量能迅速傳走，溫升速度也就比較緩慢，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。鑄型的蓄熱系數(shù)b2表示鑄型從其中的金屬中吸取并儲(chǔ)存于本身中熱量的能力。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。第81頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月82幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)材料銅鑄鐵鑄鋼粘土型砂濕砂鋸末煙黑溫度℃202020202020500蓄熱系數(shù)3.671.341.30.110.230.02960.0076在金屬型鑄造中，經(jīng)常采用涂料調(diào)整其蓄熱系數(shù)b2

。為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。在砂型鑄造中，利用煙黑涂料解決大型薄壁鋁鎂合金鑄件的成型問(wèn)題，已在生產(chǎn)中收到效果。第82頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬型（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)。第83頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2）鑄型溫度預(yù)熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。例如，在金屬型中澆注鋁合金鑄件鑄型溫度由340℃提高到520℃，在相同的澆注溫度（760℃）下，螺旋線的長(zhǎng)度由525mm增加到950mm。用金屬型澆注灰鑄鐵時(shí)，鑄型的溫度不但影響充型能力，而且影響影響鑄件是否出現(xiàn)白口組織。在熔模鑄造中，為得到清晰的輪廓，將型殼加熱到800℃以上進(jìn)行澆注第84頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）鑄型中的氣體

鑄型有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動(dòng)的摩擦阻力，利于充型。澆注溫度℃螺旋線長(zhǎng)度L/mm1570160016251650干砂型515575600665濕砂型580700750775表2-7濕砂型和干砂型中鋼液流動(dòng)性的比較第85頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)實(shí)驗(yàn)，濕型中的水大于6％和煤粉大于7％時(shí)，由于發(fā)氣量過(guò)大，在型腔中產(chǎn)生反壓力，充型能力下降。型腔中氣體反壓力較大的情況下，金屬液可能澆不進(jìn)去，或者澆口杯、頂冒口中出現(xiàn)翻騰現(xiàn)象，甚至飛濺出來(lái)傷人。所以，鑄型中的氣體對(duì)充型能力影響很大。減小鑄型中氣體反壓力的途徑：（1）適當(dāng)降低型砂中的含水量和發(fā)氣物質(zhì)的含量，亦即減小砂型的發(fā)氣性；（2）提高砂型的透氣性。第86頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、澆注條件方面的因素

澆注溫度的影響澆注溫度對(duì)液體金屬的流動(dòng)性、充型能力有決定性影響，在一定范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度上升而直線上升。第87頁(yè)，課件共96頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

澆注溫度的影響

對(duì)于薄壁鑄件或流動(dòng)性差的合金，利用提提高澆注溫度改善充型能力的措施，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用，也比較方便。但是，隨著澆注溫度的提高，鑄件一次結(jié)晶組織粗大容易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、裂紋等缺陷，因此必須綜合考慮。依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般