成型液體金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

液體金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的相變過程。主要研究對象——液體金屬影響液態(tài)金屬凝固過程的最主要因素是化學(xué)成分。第二個主要的因素是凝固速度。這是一個重要的外在的工藝因素。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、冶金處理（如孕育、球化、變質(zhì)等）、外力（如電磁力、離心力、重力等）也能對凝固過程產(chǎn)生重大的影響。目前一頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點§1-1材料的固液轉(zhuǎn)變固態(tài)金屬:按原子聚集形態(tài)分為晶體,非晶體和準晶。晶體:凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。單晶體:晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體多晶體:大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點上，其振動頻率約為1013次/s。目前二頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點液態(tài)金屬液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時一樣，均不能自由運動，圍繞著平衡結(jié)點位置進行振動，但振動的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬倍。液態(tài)金屬宏觀上呈正電性，具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱和流動性。

固體可以是非晶體、準晶體，也可以是晶體，而液態(tài)金屬則幾乎總是非晶。§1-1材料的固液轉(zhuǎn)變目前三頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點升溫過程體積變化§1-1材料的固液轉(zhuǎn)變晶格常數(shù)固態(tài)至液態(tài)過程：固態(tài)升溫，晶格常數(shù)變大繼續(xù)加熱，達到激活能值原子數(shù)進一步增加，原子離開點陣——形成空位局部勢壘減少，臨近原子進入——空穴位移晶界處原子處于激活狀態(tài)，原子向臨近晶粒跳躍，原有晶粒形狀尺寸改變——相對流動——熔化進一步加熱，溫度不升高，原子跳躍頻繁，晶粒瓦解——原子集團、游離原子、空穴——液態(tài)原子位置激活能目前四頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點§2-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析金屬由熔點溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)比其從室溫加熱至熔點的熵變要小。熵值變化是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂性變化的量度。金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)熵值增加不大，說明原子在固態(tài)時的規(guī)則排列熔化后紊亂程度不大。這也間接說明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)應(yīng)接近固體金屬而遠離氣態(tài)金屬。原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。結(jié)構(gòu)（相）起伏、溫度（能量）起伏、成分（濃度）起伏?！蛹瘓F、空位等的大小、形態(tài)、分布及熱運動時刻處于變化狀態(tài)。目前五頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點X射線衍射分析橫坐標為觀測點至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對于三維空間，它相當(dāng)于以所選原子為球心的一系列球體的半徑。縱坐標表示當(dāng)半徑增減一個單位長度時，球體（球殼）內(nèi)原子個數(shù)的變化值，其中（r）稱為密度函數(shù)。700℃時液態(tài)Al中原子分布曲線目前六頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點對于固態(tài)金屬而言，原子在某一平衡位置熱振動，因此衍射結(jié)果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值。但對于液態(tài)金屬而言，原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬變的熱振動和熱運動的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒有固定的位置，而其峰值所對應(yīng)的位置（r）只是表示衍射過程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。§2-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析目前七頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點其第一峰值與固態(tài)時的衍射線（第一條垂線）極為接近，其配位數(shù)與固態(tài)時相當(dāng)。第二峰值雖仍較明顯，但與固態(tài)時的峰值偏離增大，而且隨著r的增大，峰值與固態(tài)時的偏離也越來越大。當(dāng)它與所選原子相距太遠的距離時，原子排列進入無序狀態(tài)。表明，液態(tài)金屬中的原子在幾個原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài)時的有序排列相近，只不過由于原子間距的增大和空穴的增多，原子配位數(shù)稍有變化。目前八頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征１）組成：液態(tài)金屬是由游動的原子團、空穴或裂紋構(gòu)成。２）特征：“近程有序”、“遠程無序”原子間能量不均勻性，存在能量起伏。原子團是時聚時散，存在結(jié)構(gòu)起伏。同一種元素在不同原子團中的分布量，存在成分起伏。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖目前九頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝結(jié)過程，實質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程，從這個意義上理解，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬于結(jié)晶過程。金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶；金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶。§2-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析目前十頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點§1-3液態(tài)金屬的性質(zhì)V0YF或Pa.s1、粘度（一）粘度的實質(zhì)及影響因素當(dāng)外力F（X）作用于液態(tài)表面時，其速度分布如圖所示。層與層之間存在內(nèi)摩擦力。目前十一頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點§1-3液態(tài)金屬的性質(zhì)富林克爾在關(guān)于液體結(jié)構(gòu)的理論中作了粘度數(shù)學(xué)處理：粘度本質(zhì)：原子間結(jié)合力影響因素：：化學(xué)成分、溫度、夾雜物目前十二頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點（二）粘度在材料成形過程中的意義1)對液態(tài)金屬凈化的影響液態(tài)金屬中存在各種夾雜物及氣泡等，必須盡量除去。雜質(zhì)及氣泡與金屬液的密度不同。根據(jù)司托克斯原理，半徑0.1cm以下的球形雜質(zhì)的上浮速度：2)對液態(tài)合金流動阻力的影響根據(jù)流體力學(xué)，雷諾數(shù)Re＞2300為湍流（紊流），Re＜2300為層流。Re的數(shù)學(xué)式為目前十三頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點當(dāng)液體以層流方式流動時，阻力系數(shù)大，流動阻力大。金屬液體的流動成形，以紊流方式流動最好，由于流動阻力小，液態(tài)金屬能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔中的流動一般為紊流。但在充型的后期或夾窄的枝晶間的補縮流和細薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流。目前十四頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點3)對凝固過程中液態(tài)合金對流的影響液態(tài)金屬在冷卻和凝固過程中，由于存在溫度差和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)合金對流的驅(qū)動力。當(dāng)浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，其對流強度由無量綱的格拉曉夫準則度量，即可見粘度η越大對流強度越小。液體對流對結(jié)晶組織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重要影響。目前十五頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點2、表面張力——液體的物性參數(shù)（一）表面張力是質(zhì)點（分子、原子等）間作用力不平衡引起的。這就是液珠存在的原因。當(dāng)外界所做的功僅用來抵抗表面張力而使系統(tǒng)表面積增大時，該功的大小則等于系統(tǒng)自由能的增量。目前十六頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowetting潤濕現(xiàn)象目前十七頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點（二）影響界面張力的因素影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點、溫度和溶質(zhì)元素。

1．熔點界面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表面張力往往就大。目前十八頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點

2．溫度大多數(shù)金屬和合金，如Al、Mg、Zn等，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)點間的結(jié)合力減弱所至。但對于鑄鐵、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。

3．溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對液態(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，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，稱負吸附元素。目前十九頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點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目前二十頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點P、S、Si對鑄鐵熔液表面張力的影響目前二十一頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點砂型與金屬液的潤濕性正面圖X-X截面圖（三）表面或界面張力在材料成形過程中的意義在材料加工工藝中經(jīng)常遇到的毛細現(xiàn)象，主要就是受表面張力所控制——彎曲液面的附加壓力目前二十二頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點拉普拉斯—揚方程式

當(dāng)曲面是球面一部分時，r1=r2，則得到附加壓力與曲率半徑的關(guān)系式

r目前二十三頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點目前二十四頁\總數(shù)二十五頁\編于二十三點附加壓力與管道半徑成反比。當(dāng)r很小時產(chǎn)生很大的附加壓力，對液態(tài)成形過程中液態(tài)合金的充型性能和鑄件表面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，澆注薄小鑄件時必須提高澆注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。

液態(tài)成形