液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第一章

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)授課：劉洪喜第二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)液體概念的引入一、液體類型（按液體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部作用力分）

原子液體；分子液體；離子液體

二、液體的特征、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

最顯著特征：流動(dòng)性

*結(jié)構(gòu)特征：“遠(yuǎn)程無序”而“近程有序”第三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日物理性質(zhì)：密度，粘度，導(dǎo)電率，熱導(dǎo)率，擴(kuò)散系數(shù)物化性質(zhì)：等壓熱容，等容熱容，熔化和氣化潛熱，結(jié)晶潛熱，表面張力，界面張力熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓，膨脹和壓縮系數(shù)*三、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的研究方法間接方法：即通過固-液、固-氣轉(zhuǎn)變后一些物理性質(zhì)的變化判斷液態(tài)原子的結(jié)合狀況直接方法：X射線衍射分析研究液態(tài)金屬原子排列狀況第四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日*四、液體與固體、氣體的比較第五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)液體金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)與固態(tài)、氣體的結(jié)構(gòu)比較及衍射特征二、由物質(zhì)熔化過程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)三、實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)

四、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型五、對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展

了解第六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（一）液態(tài)與固態(tài)、氣體結(jié)構(gòu)比較晶體——原子在晶格節(jié)點(diǎn)上表現(xiàn)出平移、對(duì)稱性特征，同時(shí)以某種模式在平衡位置作熱振動(dòng)（遠(yuǎn)程有序）氣體——分子和原子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子平均間距比其尺寸大得多，空間分布上表現(xiàn)為完全無序液體——相對(duì)于晶體而言，液體原子在宏觀上不具備平移對(duì)稱性（遠(yuǎn)程無序），相對(duì)于氣體，表現(xiàn)為近程有序一、液態(tài)與固態(tài)、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征第七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D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（二）液態(tài)與固態(tài)、氣體的衍射特征第八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日舉例：液態(tài)和固態(tài)Au的X射線衍射圖像1、液態(tài)Au的X射線衍射圖像顯示出一慢射的衍射環(huán)，表明在液態(tài)Au中存在一些紊亂分布的原子，造成對(duì)X射線的散射2、固態(tài)Au的X射線衍射圖像為分布規(guī)則的亮斑（點(diǎn)），顯示出了與特定晶面反射相一致的衍射斑，原子排列較規(guī)則第九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（三）液態(tài)金屬的徑向分布函數(shù)偶分布函數(shù)g(r)的物理意義：距某一參考粒子r處找到另一個(gè)粒子的幾率，換言之，表示離開參考原子(處于坐標(biāo)原子r=0)距離為r的位置的數(shù)密度ρ(r)對(duì)于平均數(shù)密度ρ0（=N/V）的相對(duì)偏差1、當(dāng)r（距離參考原子的距離）小于原子的半徑，由于原子斥力，2、當(dāng)r（距離參考原子的距離）較大時(shí)，相當(dāng)于非晶態(tài)3、也就是說，在近距離范圍內(nèi)，液態(tài)原子的排列位置與固態(tài)相似，而在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)就缺乏有序排列了○第十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日徑向分布函數(shù)（RDF）上式表示在r和r+dr之間的球殼中原子數(shù)的多少。圖中帶點(diǎn)的紅色曲線為稍高于熔點(diǎn)時(shí)（白色）各種液態(tài)堿金屬的徑向分布函數(shù)變化平均原子間距r：對(duì)液態(tài)，對(duì)應(yīng)于RDF第一峰的位置，r=r1表示參考原子至其周圍第一配層各原子的平均原子間距第十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日配位數(shù)N1：RDF第一峰之下的積分面積液體平均原子間距r1和N1被認(rèn)為是液體最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)N1

表示參考原子周圍最近鄰(第一殼層)原子數(shù)（如圖）

r1

表示參考原子與其周圍第一配位層各原子的平均原子間距，也表示某液體的平均原子間距

圖液體配位數(shù)N1的求法第十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日二、由物質(zhì)熔化過程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)物質(zhì)熔化時(shí)——體積變化、熵變和焓變一般均不很大（具體見書中的表1-1）。金屬熔化時(shí)體積變化（多增大）為3%~5%。表明液體原子間距接近于固體，在熔點(diǎn)附近系統(tǒng)混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體金屬熔化潛熱比氣化潛熱小得多（見表1-2），大約為3%~7%。表明熔化時(shí)，其內(nèi)部原子結(jié)合鍵只有部分被破壞，液體金屬內(nèi)原子的局部分布仍有一定規(guī)律。即固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，原子的結(jié)合鍵破壞有限，液態(tài)和固態(tài)的結(jié)構(gòu)是相似的第十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日熔化潛熱——指當(dāng)物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)后，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)吸收或放出的熱量結(jié)晶潛熱——在溫度保持不變的情況下，單位質(zhì)量的物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變到固態(tài)時(shí)所釋放出的熱量氣化潛熱——常壓下，單位質(zhì)量的物質(zhì)在一定溫度下由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)所需的熱量汽化潛熱——即溫度不變時(shí)，單位質(zhì)量的某種液體物質(zhì)在汽化過程中所吸收的熱量。汽化分兩種，蒸發(fā)和沸騰。兩者都吸熱，蒸發(fā)只在液體表面，而沸騰是液體的內(nèi)部和表面同時(shí)進(jìn)行的第十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日三、實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)

理想純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)

能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏實(shí)際純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)

存在大量多種分布不均勻、存在方式（溶質(zhì)或化合物）不同的雜質(zhì)原子金屬（二元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu)

存在第二組元時(shí)，表現(xiàn)為能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和濃度起伏實(shí)際金屬（多元合金）液態(tài)結(jié)構(gòu)

相當(dāng)復(fù)雜，存在著大量時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏的原子團(tuán)簇、空穴等，同時(shí)也含有各種固態(tài)、氣態(tài)雜質(zhì)或化合物，表現(xiàn)為三種起伏特征交替第十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日能量起伏

指液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動(dòng)的原子能量有高有低，同一原子的能量也會(huì)隨時(shí)間而不停變化，出現(xiàn)時(shí)高時(shí)低的現(xiàn)象結(jié)構(gòu)起伏

指液態(tài)金屬中大量不?！坝蝿?dòng)”著的原子團(tuán)簇不斷分化組合，由于“能量起伏”，部分金屬原子（離子）從某個(gè)團(tuán)簇中分化出去，同時(shí)又會(huì)有另一些原子組合到該團(tuán)簇中，這樣此起彼伏，不斷發(fā)生著漲落過程，似乎團(tuán)簇本身在“游動(dòng)”一樣，團(tuán)簇的尺寸及內(nèi)部原子數(shù)量都隨時(shí)間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象濃度起伏指在多組元液態(tài)金屬中，由于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而把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異，而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動(dòng)在不時(shí)發(fā)生著變化的現(xiàn)象第十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日四、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型（自學(xué)）（一）無規(guī)密堆硬球模型——RCP

模型特征

以無規(guī)堆積的硬球來描述液體結(jié)構(gòu)。在無規(guī)密堆鐵球表面灌以油漆，固化后球與球相鄰處留下漆斑，籍以構(gòu)建以球中心為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的間隙多面體，并統(tǒng)計(jì)配位數(shù)分布及平均值。液體結(jié)構(gòu)中存在五種間隙多面體模型

四面體73%八面體20%三角棱柱多面體3%四方十二面體3%阿基米德反棱柱多面體1%

第十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型

1、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微晶的存在能很好地解釋液態(tài)金屬中的短程有序性，因而該模型能很好地描述近液相線（低溫）液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)。但是，該模型對(duì)高溫液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行解釋2、空穴模型晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大量的孔穴，從而使液態(tài)金屬微觀結(jié)構(gòu)失去了長程有序性。大量孔穴的存在使液態(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)金屬的粘度減小第十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日3、位錯(cuò)模型

液態(tài)金屬可看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在特定溫度以上的低溫條件下，不含位錯(cuò)（或低密度位錯(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。高位錯(cuò)密度的引入，使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)不再具有長程有序性，同時(shí)使液態(tài)金屬在外力的作用下具有流動(dòng)性，對(duì)粘滯系數(shù)、原子擴(kuò)散系數(shù)和晶體的生長等也能進(jìn)行較好的解釋4、綜合模型

在液態(tài)金屬中由于熱運(yùn)動(dòng)的存在，不同的部位有著不同的運(yùn)動(dòng)方式，因此處于不同部位的原子受到力的方式大小也不相同，產(chǎn)生的缺陷也就不單一了，這樣也就形成了多種缺陷模型的綜合現(xiàn)象

五、對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展（了解）第二十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)液體合金的性質(zhì)一、液態(tài)合金的粘度二、液態(tài)合金的表面張力

第二十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日一、液態(tài)合金的粘度（一）液態(tài)合金的粘度及其影響因素1、粘度：又稱粘度系數(shù)。液體在流動(dòng)時(shí)，在其分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為液體的粘性。粘性大小用粘度來表示。是用來表征與液體性質(zhì)相關(guān)的阻力因子。依牛頓提出的關(guān)系式來定義：第二十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日3、粘度的量綱及單位：量綱為M·L-1·T-1；常用單位Pa·S或mPa·S。工業(yè)上動(dòng)力粘度單位用Pa來表示，即1克/厘米·秒=1Pa4、粘度的影響因素1）通常液體粘度表達(dá)式式中：KB

——Bolzmann常數(shù)

U——無外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能（或原子擴(kuò)散勢(shì)壘）T——熱力學(xué)溫度常數(shù)

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、粘度的物理意義：表示作用于液體表面的外加切應(yīng)力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)。是液體內(nèi)摩擦阻力大小的表征第二十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日2）液體粘度的影響因素（2）粘度隨原子間距δ增大而降低，與δ3成反比（3）η

與溫度T

的關(guān)系：受兩方面（正線性關(guān)系和負(fù)指數(shù)關(guān)系）共同制約，但總的趨勢(shì)隨溫度T

而下降（見下圖）（1）液體粘度η隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加：這可理解為，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，原子間距隨之而增大，因此η

會(huì)隨之下降第二十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（4）合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響（M-H模型）圖液體的粘度與溫度的關(guān)系ａ）液態(tài)鎳；ｂ）液態(tài)鈷虛線：計(jì)算值；實(shí)線：不同研究者實(shí)驗(yàn)結(jié)果第二十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日M-H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)在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，R

為氣體常數(shù)，Hm為兩組元的混合熱如果混合熱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）如果溶質(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?，這歸因于合金液中存在異類原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵通常，表面及界面活性元素使液體粘度降低（抑制合金液冷卻過程中原子團(tuán)的聚集長大），非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高第二十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（二）粘度在材料成形中的意義1)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)的影響可以忽略粘度在金屬鑄造和焊接生產(chǎn)技術(shù)中均具有很重要的意義。為了說明問題，先引入運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度及雷諾數(shù)的概念2)當(dāng)采用了運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度系數(shù)之后，ν金和ν水兩者近乎一致。故在鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，完全可以按水力學(xué)原理來考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度：動(dòng)力學(xué)粘度除以密度，即第二十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日動(dòng)力學(xué)粘度：在外力作用非常小的情況下適用。如夾雜上浮過程和凝固過程中的補(bǔ)縮等均與動(dòng)力粘度系數(shù)有關(guān)雷諾數(shù)：根據(jù)流體力學(xué)，當(dāng)雷諾數(shù)Re＞2300時(shí)為紊流；Re

＜

2300時(shí)為層流。對(duì)于圓形管道設(shè)f為流動(dòng)阻力系數(shù)，則第二十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日1、粘度對(duì)鑄件輪廓清晰程度有很大的影響：在薄壁鑄件的鑄造過程中，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。此時(shí)，為提高鑄件輪廓清晰度，可降低液體粘度，通過適當(dāng)提高過熱度或者加入表面活性物質(zhì)等來實(shí)現(xiàn)2、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3、影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成：各種精煉工藝，希望盡可能徹底脫去金屬液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和氣體。無論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，殘留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應(yīng)在金屬完全凝固前排出去，否則就形成了夾雜或氣孔，破壞金屬的連續(xù)性。而夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的粘度成反比第二十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日

可見，粘度η

較大時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，會(huì)影響精煉效果；在鑄件及焊縫凝固過程中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔4、影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧：在鑄造合金熔煉及焊接過程中，冶金反應(yīng)均在金屬液與熔渣的界面進(jìn)行，金屬液中雜質(zhì)元素及熔渣中反應(yīng)物要不斷向界面擴(kuò)散，同時(shí)界面上的反應(yīng)產(chǎn)物也需離開界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。這些反應(yīng)過程的動(dòng)力學(xué)受到反應(yīng)物及生成物在金屬液和熔渣中的擴(kuò)散速度的影響，而金屬液和熔渣中的動(dòng)力學(xué)粘度η

低則有利于擴(kuò)散的進(jìn)行，從而有利于脫去金屬中的雜質(zhì)元素第三十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日5、對(duì)焊縫合金過渡的影響

在焊縫金屬的合金化方法中，通過含有合金元素的焊劑、藥皮或藥芯進(jìn)行合金過渡是較為常用的方法，這類方法的合金過渡主要是在金屬液與熔渣的界面上進(jìn)行的?？梢?，熔渣及金屬液粘度降低對(duì)合金元素的過渡有利6、對(duì)縮孔、縮松、晶粒大小和偏析的影響

在鑄件凝固過程中，由于金屬液的體積收縮容易形成縮孔或縮松，此時(shí)依靠冒口中液體靜壓頭進(jìn)行補(bǔ)縮，補(bǔ)縮距離與合金液η的平方根成反比，即η愈大，鑄件內(nèi)部縮孔或縮松傾向增大。另外，η大時(shí)，將使凝固過程中對(duì)流困難而造成晶粒粗化；影響凝固界面前端的低熔點(diǎn)物質(zhì)向后擴(kuò)散而導(dǎo)致區(qū)域偏析第三十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日二液態(tài)合金的表面張力（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力的因素1、表面張力（Surfacetension）單位：

表面張力的單位在SI制中為牛頓/米（N/m），但仍常用單位是達(dá)因/厘米（dyn/cm）。1dyn/cm=1mN/m=1mJ/m2表面層：在液體與氣體交界面，厚度相當(dāng)于分子有效作用半徑R的一層液體。習(xí)慣上人們僅將氣-液，氣-固界面稱為表面。多相體系中不同相之間存在著界面表面張力：平行于表面切線且各方向大小相等的宏觀張力?；蛘哒f促使液體表面收縮的力。表面張力使液面盡可能收縮成最小第三十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日對(duì)表面張力的理解：①表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個(gè)平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個(gè)曲面的切面上。②表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。發(fā)生在液體和氣體接觸時(shí)的邊界部分表面張力系數(shù)：表面張力常用表面張力系數(shù)表示。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無關(guān)

自然界表面張力現(xiàn)象：比如，露水總是盡可能呈球型；某些昆蟲則利用表面張力漂浮在水面上（如水黽）；硬幣浮于水面等第三十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日2、表面自由能與表面張力的關(guān)系表面自由能（表面能，Surfaceenergy）：為產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量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，單位也可互換，通常表面張力的單位為力/距離（如N/m、dyn/cm），表面能的單位為能量/面積（如J/m2、erg/cm2

等）表面與界面：表面與界面的差別在于后者是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，嚴(yán)格說，應(yīng)該是指液體或固體與其蒸汽的界面。界面張力與界面能的關(guān)系相當(dāng)于表面張力和表面能的關(guān)系。廣義上液體或固體與氣體之間的界面能和界面張力分別為其表面能和表面張力第三十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日表面自由能與表面張力的異同不同點(diǎn)：物理概念和意義不同，從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。

①表面自由能表示形成單位新表面使體系自由能的增加，其單位為能量/面積（如J/m2、erg/cm2

等）②表面張力通常指純物質(zhì)的表面層分子間實(shí)際存在著的（收縮）張力，其單位為力/距離（如N/m、dyn/cm）相同點(diǎn)：通?？梢杂猛环?hào)來表示表面自由能或表面張力。兩者量綱相同，數(shù)值相等。在分析處理具體問題時(shí)，可根據(jù)需要選擇理解表面自由能和表面張力。在用熱力學(xué)方法處理表面時(shí)，可用表面自由能表示；在作表面相分子的受力分析時(shí)，可用表面張力表示第三十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日3、影響表面張力的因素1）原子間的結(jié)合力物體內(nèi)部原子間結(jié)合力u0↑→表面內(nèi)能↑→表面自由能↑→表面張力↑

原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)高，固體和液體的表面能和表面張力也大。一般金屬的表面張力較非金屬和鹽大

對(duì)晶體而言，表面自由能與晶面有關(guān)，若晶體表面為密排晶面（低指數(shù)晶面），由于密排表面原子配位數(shù)與晶體內(nèi)部的差值較小，表面內(nèi)能小，故其表面能也小。若晶體表面為高指數(shù)晶面，其表面內(nèi)能大，表面能亦大?；谏鲜鲈颍w為維持其最穩(wěn)定狀態(tài)，其表面往往為低指數(shù)（密排）晶面第三十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日表面張力與潤濕角的關(guān)系兩種物質(zhì)接觸，潤濕或不潤濕的關(guān)鍵取決于兩種物質(zhì)間的親和力，親和力大，就潤濕，否則，就不潤濕。如圖所示，就界面張力而言，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后圖中各界面張力之間的關(guān)系為：固-液界面張力γLS越小，cosθ

越趨近于1，也就是說，θ

越趨近于0，這種情況是潤濕的第三十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日3）溶質(zhì)元素自由電子數(shù)目的影響表面張力雙電層理論：在金屬表面分布的電子層與金屬正離子之間的作用力構(gòu)成了對(duì)表面的壓力，使金屬有縮小表面積的傾向。該理論推導(dǎo)出表面張力表達(dá)式為：2）溫度的影響：隨溫度升高而下降。因?yàn)樵娱g距隨溫度升高而增大自由電子數(shù)目多的溶質(zhì)元素，其表面雙電層的電荷密度大，對(duì)金屬表面的壓力也大，從而使系統(tǒng)表面張力增加?；衔锉砻鎻埩χ暂^低，是因其自由電子較少的緣故第三十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日4）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響主要取決于原子間結(jié)合力的改變向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元，會(huì)使u0

減小，使表面內(nèi)能降低，這樣，將會(huì)使表面張力降低溶質(zhì)與溶劑的原子體積之差：溶質(zhì)原子大于溶劑原子，造成原子排布的畸變而使勢(shì)能增加，傾向于被擠到表面，以降低系統(tǒng)能量，從而使整個(gè)系統(tǒng)表面張力降低。原子體積很小的合金元素，在金屬中容易進(jìn)入到熔劑的間隙使勢(shì)能增加，從而被排擠到金屬表面，成為富集在表面的表面活性物質(zhì)。由于這些元素的金屬性很弱，自由電子很少，因此，表面張力小，同樣使金屬表面張力降低第三十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日

S、O、Te、Se（及N）等元素均能明顯降低鐵液的表面張力，見圖1-12（P26）

Cr作為合金元素加入Fe液也使表面張力大大下降，而Ni對(duì)

Fe液表面張力的影響較復(fù)雜，隨成分范圍而不同，見圖1-13

C和P對(duì)鐵液表面張力的影響較小，略有降低作用

合金元素對(duì)鎂、鋁合金熔體表面張力的影響見圖1-14（P26）表面活性元素均降低熔體的表面張力第四十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日（二）表面張力在材料成形中的意義1、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差及其相關(guān)作用表面為平面時(shí)（曲率半徑為無窮大），表面張力沒有任何作用，但當(dāng)表面具有一定曲度時(shí)，表面張力將使表面的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，該壓力差值的大小與曲率半徑成反比，曲率半徑越小，表面張力的作用越顯著。其關(guān)系式為：R1和R2為曲面上A點(diǎn)處的任意一對(duì)共軛曲率半徑。其取法如下：過A作曲面的垂線l，過l

任意作兩個(gè)互相垂直的平面分別交曲面于曲線l1和l2，R1和R2即為曲線l1和l2在A處的一對(duì)共軛半徑第四十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日可見，在曲率半徑很小時(shí)，表面張力會(huì)引起很大壓力差。表面張力在曲面兩側(cè)引起的壓力差Δp，相對(duì)于平直界面而言為一附加壓力。在鑄造和焊接中的意義第四十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日

鑄造過程為防止粘砂，通常要求金屬液與砂型不潤濕。但毛

細(xì)管直徑D和金屬液靜壓頭H越大，越易粘砂。據(jù)σ與D和H

的關(guān)系可推出是否粘砂的毛細(xì)管臨界直徑DC—選擇砂型粒度在焊接和鑄造熔煉過程中，高溫下會(huì)產(chǎn)生融入到金屬液中的

氣體，為加速凝固過程中氣體的逸出，表面張力起重要作用

CO2氣保焊熔滴過渡中易產(chǎn)生飛濺也可由表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差得到解釋。焊絲含碳量越高，飛濺傾向越大第四十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日2、液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響

——液膜理論在凝固的后期，不同晶粒之間存在著液膜，由于表面張力的作用，液膜將其兩側(cè)的晶體緊緊地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。其中單位面積液膜的臨界拉斷應(yīng)力和表面張力、液膜厚度的關(guān)系可用液膜理論模型加以說明第四十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日3、表面張力對(duì)熔滴過渡的影響熔化極電弧焊，顆粒狀熔滴向熔池中過渡時(shí)，表面張力大的熔滴形成細(xì)頸的阻力大，致使熔滴顆粒增大，熔滴過渡頻率降低而導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性較差，飛濺增多改善熔滴過渡狀態(tài)的途徑在于降低其表面張力，主要有兩措施：

增大焊接電流，使熔滴溫度上升，表面張力降低，熔滴顆粒減?。娏髟龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，由熔滴過渡轉(zhuǎn)為細(xì)顆粒高速噴射過渡）

適當(dāng)增強(qiáng)電弧氣氛的氧化性可降低表面張力，細(xì)化熔滴第四十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)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液態(tài)金屬充型能力(mold-fillingcapacity)：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，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力。是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一。充型能力不佳可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、卷入性氣孔、夾砂等缺陷流動(dòng)性(fluidity)：液態(tài)金屬本身流動(dòng)的能力。流動(dòng)性與金屬液的成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。充型能力與流動(dòng)性之間的關(guān)系：充型能力是外因（鑄型）和內(nèi)因（流動(dòng)性）的共同結(jié)果。外因一定時(shí)，流動(dòng)性就是充型能力第四十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日影響液態(tài)金屬充型能力的因素：內(nèi)因——液態(tài)金屬本身的流動(dòng)性(流動(dòng)能力)；外因——鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等，是各種因素的綜合反映影響充型能力的因素是通過2個(gè)途徑起作用的：①影響金屬與鑄型之間的熱交換作用，從而改變金屬液的流動(dòng)時(shí)間；②影響金屬液在鑄型中的水力學(xué)條件，從而改變金屬液的流速第一類因素——金屬性質(zhì)。包括金屬密度、比熱容、熱導(dǎo)率、結(jié)

晶潛熱、粘度、表面張力、結(jié)晶特點(diǎn)等第二類因素——鑄型性質(zhì)。包括鑄型蓄熱系數(shù)、密度、溫度、比

熱容、熱導(dǎo)率、涂料層、發(fā)氣性和透氣性等第三類因素——澆注條件。包括金屬澆注溫度、靜壓頭、外場(chǎng)等第四類因素——鑄件結(jié)構(gòu)。包括鑄件的折算厚度及由鑄件結(jié)構(gòu)所

規(guī)定的型腔的復(fù)雜程度引起的壓頭損失等。第四十七頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日合金流動(dòng)性表示方法：通常，在相同的條件下澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長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。因此，可以認(rèn)為合金的流動(dòng)性是在確定條件下的充型能力液態(tài)金屬流動(dòng)性的測(cè)試：如圖所示，螺旋形試樣。此外，還有球形，U形、楔形、真空試樣等螺旋形試樣優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、對(duì)比形象、可供金屬液流動(dòng)相當(dāng)長的距離，鑄型的輪廓尺寸并不太大缺點(diǎn)：金屬流線彎曲，沿途阻力損失較大，流程越長，散熱越多，故金屬的流動(dòng)條件和溫度條件都在隨時(shí)改變第四十八頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日灰口鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性較好；鑄鋼的流動(dòng)性較差第四十九頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日合金的螺旋形流動(dòng)實(shí)驗(yàn)（spiralsampletest）第五十頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日司母戊鼎四羊方尊第五十一頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日二、液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理與充型能力研究液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理的目的是考察影響液態(tài)金屬流動(dòng)性能的因素，進(jìn)而提高液態(tài)金屬的充型能力。液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理，隨金屬的結(jié)晶特性（取決于結(jié)晶溫度范圍）可分為兩種典型合金流動(dòng)性比較實(shí)驗(yàn)：以純金屬Al和結(jié)晶溫度范圍較寬的Al-Sn5%合金為例。純Al無結(jié)晶溫度范圍，Al-Sn5%結(jié)晶溫度范圍為425℃，過熱溫度83℃第五十二頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日1、純金屬流動(dòng)性試樣的宏觀組織是柱狀晶，試樣的末端有縮

孔。這說明液態(tài)金屬停止流動(dòng)時(shí)，其末端仍保持有熱的金

屬液。停止流動(dòng)的原因是末端之前的某個(gè)部位從型壁向中

心生長的柱狀晶相接觸，金屬的流動(dòng)通道被堵塞2、Al-Sn5%合金流動(dòng)性試樣的宏觀組織是等軸晶，離入口處

越遠(yuǎn)，晶粒越細(xì)，試樣前端向外突出。說明液態(tài)金屬溫度

是沿程下降的，液流前端冷卻最快，先結(jié)晶，當(dāng)晶體達(dá)到

一定數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生堵塞，停止流動(dòng)第五十三頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日1、窄溫度范圍—純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度范圍很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理2、結(jié)晶溫度范圍較寬的合金停止流動(dòng)機(jī)理Ⅰ區(qū)：純液態(tài)流動(dòng)Ⅱ區(qū)：先形成凝固殼再被完全熔化Ⅲ區(qū)：未被完全熔化而保留下來的一部分固

相區(qū)Ⅳ區(qū)：結(jié)晶區(qū)1、過熱量未散盡前是純液態(tài)流動(dòng)。溫度降到液相線以下，液流中析出晶體，順流前進(jìn)并不斷長大2、液流前端不斷與冷的型壁接觸，冷卻最快，晶粒數(shù)量最多，使金屬液的粘度增加，流速減慢c）當(dāng)晶粒達(dá)到某一臨界數(shù)量時(shí)，便結(jié)成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，液流壓力不能克服此網(wǎng)絡(luò)的阻力時(shí)，發(fā)生堵塞而停止流動(dòng)第五十四頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日第五十五頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金，充型能力的經(jīng)驗(yàn)公式(F為試樣截面積，P為試樣截面周長，ρ為液態(tài)金屬密度，α為換熱系數(shù)，k為停止流動(dòng)時(shí)液流前端的固相量，ΔH為結(jié)晶潛熱，c為液態(tài)金屬比熱容，Tk為合金停止流動(dòng)的溫度)可見：靜壓頭H↑，液態(tài)金屬密度ρ

及比熱C↑，合金的結(jié)晶潛熱ΔH↑，澆注溫度T↑→充型能力（流動(dòng)長度L）↑換熱系數(shù)α↑→充型能力（流動(dòng)長度L）↓3、充型能力（寬結(jié)晶溫度范圍合金）計(jì)算公式第五十六頁，共六十三頁，編輯于2023年，星期日三、影響充型能力的因素1、金屬性質(zhì)方面的因素（