第2章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1/36材料成形原理材料成型與控制專業(yè)第二章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2/36

液態(tài)金屬：具有良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并在宏觀上呈無規(guī)則排列的原子集團，叫液態(tài)金屬。為什么研究液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)？因為對鑄件有以下影響：（1）結(jié)晶過程；（2）晶粒組織；（3）缺陷：偏析、氣體、非金屬夾雜物。3/36二、理想純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點1、原子間保持較強的結(jié)合能；2、原子排列小距離內(nèi)（僅在原子集團內(nèi)——幾十到幾百個原子的集團）有規(guī)律——近程有序；3、原子集團處于瞬息萬變狀態(tài)——能量起伏；4、原子集團之間存在“空穴”，共有電子運動發(fā)生變化；（電子難飛躍“空穴”，電阻率升高）5、原子集團尺寸、速度與溫度有關(guān)。（溫度升——尺寸降、速度大）4/36三、實際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點1、存在大量雜質(zhì)原子（1）雜質(zhì)是多種多樣的，非一種；（2）雜質(zhì)分布不均勻；

濃度起伏：游動原子集團之間存在成分不均勻性；

結(jié)合力不同：結(jié)合力強的易聚；

能量起伏：各原子間能量不同或各原子團尺寸不同。5/36（3）雜質(zhì)存在方式不同：溶質(zhì)、化合物。

A、B結(jié)合力較強——形成新的化學(xué)鍵——臨時不穩(wěn)定化合物；（低溫化合，高溫分解）

A、B結(jié)合力非常強——形成強而穩(wěn)定的化合物——新相；

B-B、B-A結(jié)合力小于A-A，則A-A原子聚集——B被排斥在集團外或液體表面——降低表面張力——表面活性元素。6/363、實際金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)——非常復(fù)雜。（1）也存在游動原子團、空穴及能量起伏；（2）原子團、空穴中有各種合金元素及雜質(zhì)元素；（3）存在濃度起伏；（4）存在不穩(wěn)定或穩(wěn)定化合物（固、氣、液）。7/362.2液態(tài)金屬的性質(zhì)8/36一、粘度1、概念：液體在層流運動情況下，各液層間有摩擦阻力——粘度。

用牛頓粘性定律表達：η為動力粘度，τ為切應(yīng)力，dv/dx為速度梯度。9/362、影響因素粘度大小由液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)決定，與溫度、壓力、雜質(zhì)有關(guān)。（1）溫度：溫度升——粘度降；（2）化學(xué)成分：

1）雜質(zhì)數(shù)量、形狀和分布，影響粘度；固態(tài)雜質(zhì)——粘度增大；雜質(zhì)多——粘度增大。

2）同一合金，成分不同——粘度不同。接近共晶成分——粘度降低。10/363、粘度對材料成型的影響（1）金屬液凈化（氣體、雜質(zhì)的排出）；（2）流動阻力與充型；（3）凝固過程中的對流。stocks原理11/36二、表面張力1、概念：金屬液表面質(zhì)點因受周圍質(zhì)點對其作用力不平衡，在表面液膜單位長度上所受的繃緊力或單位表面積上的能量，稱表面張力。液相氣相12/362、影響因素（1）溫度多數(shù)：溫度上升——表面張力下降；

反常：溫度上升——表面張力升高，如銅、鐵。（2）溶質(zhì)（雜質(zhì)）表面活性物質(zhì)：表面張力下降——正吸附；表面非活性物質(zhì)：表面張力升高——負吸附。（3）液體的性質(zhì)不同液體，表面張力不同。3、表面張力對材料成型的影響對金屬晶體形核（形核功）及生長（結(jié)晶形態(tài)）、機械粘砂、縮松、熱裂、夾雜及氣泡等有影響。13/362．3液態(tài)金屬的流動性及充型能力14/36一、流動性1、概念：液態(tài)金屬本身的流動能力。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：好的流動性利于缺陷的防止：（1）補縮；（2）防裂；（3）充型；（4）氣體與雜質(zhì)易上浮。4、測定：澆注流動性試樣。

試樣結(jié)構(gòu)、鑄型性質(zhì)、澆注條件相同，改變合金成分，測試樣長度。15/36二、充型能力

16/361、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。2、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施內(nèi)因：自身流動性外因：型的性質(zhì)、澆注條件、件結(jié)構(gòu)17/36（1）金屬性質(zhì)1）合金成分純金屬、共晶成分合金和金屬間化合物的地方，流動性有最大值。（1）凝固點固定；（2）逐層凝固；（3）凝固層內(nèi)表面平滑，阻力?。唬?）流動時間長。有結(jié)晶溫度范圍的地方流動性下降，在最大溫度范圍處，流動性最差。（1）凝固溫度區(qū)間；（2）斷面存在兩相區(qū)；（3）前端枝晶數(shù)多，粘度大，流速小。18/362）結(jié)晶潛熱純金屬、共晶成分合金：凝固點固定，潛熱能發(fā)揮，利于流動；結(jié)晶溫度范圍寬的合金：散失部分潛熱后晶粒成網(wǎng)，阻塞流動，潛熱難發(fā)揮。對流動性影響不大。3）比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)比熱、密度大合金：含熱量多，保持液態(tài)時間長，流動性好。導(dǎo)熱系數(shù)小合金：散熱慢，流動時間長。19/364）粘度層流：影響大。停流前一刻，通道面積小，粘度大。紊流：影響小。實驗證明，除停流前一刻，均為紊流。5）表面張力對薄壁件，件的細薄部分有影響；通常不潤濕，阻礙型腔充填。20/36

綜上所述，為提高充型能力，在金屬方面采取以下措施：1）正確選擇合金成分：盡量選共晶或結(jié)晶溫度范圍小的合金；2）合理的熔煉工藝——減粘、減表面張力原材料：去雜質(zhì)熔煉：少接觸有害氣體熔化后：脫氧、精煉21/36（2）鑄型性質(zhì)方面因素1）型的蓄熱系數(shù)：指鑄型從金屬吸取并儲存在本身中熱量的能力。

型的蓄熱系數(shù)大——型激冷能力強——金屬保持液態(tài)時間短——充型能力下降。生產(chǎn)中可用涂料調(diào)整。2）型溫度

預(yù)熱型——減小型/金屬液溫差——充型能力提高。3）型中氣體型能發(fā)氣——金屬/型間形成氣膜——減小摩擦阻力——易充型。但是：氣太多——反壓力大，澆不進去：翻騰、飛濺。解決方法：（1）降低含水、發(fā)氣物含量；（2）提高型透氣性。22/36（3）澆注條件方面因素1）澆注溫度溫度高——充型能力強。但超過某界限，吸氣多、氧化嚴(yán)重，充型能力提高不明顯。生產(chǎn)中，對薄壁件及流動性差合金，可提高澆溫。缺點：澆注溫度高——組織粗大、縮孔、縮松、粘砂、裂紋易產(chǎn)生。23/362）充型壓頭壓力大——充型好生產(chǎn)中，增加金屬靜壓頭。但壓頭也不能過高。缺點：充型速度過大，產(chǎn)生噴射、飛濺（氧化、鐵豆）；氣體不易排出（澆不足、冷隔）。3）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜——流動阻力大——充型能力下降。24/36（4）鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素

通常用鑄件的“折算厚度”和復(fù)雜程度衡量鑄件