第2章 液态金属的结构与性质.ppt

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1、第2章液态金属的结构与性质2.1液态金属的结构2.2液态金属的性质2.3液态金属的流动性与充型能力*主要内容液体的表观特征具有流动性（液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状（类似于气体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面（类似于固体，不同于气体）；液体可压缩性很低（类似于固体，不同于气体）。2.1液态金属的结构2.1.1液体与固体、气体结构比较及其特征晶体：平移、对称性特征（长程有序）原子以一定方

2、式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动气体：完全无序为特征分子不停地作无规律运动液体金属结构特点：长程无序——不具备平移、对称性；近程有序——相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性固态金属-长程有序结构原子排列长程有序气态结构原子杂乱无章的随机分布液体金属-近程有序结构原子局域团聚，形成小的团簇cluster2.1.2由物质熔化过程认识液体结构物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大，金属熔化时典型的体积变化

3、Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）为3~５%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多，为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。2.1.3实际液态金属的微观特点“能量起伏”——液态金属中各微观区域的能量处于此起彼伏，变化不定的状态。这种微区内的能量短暂偏离其平均能量的现象，叫做能量起伏。“结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏的现象。“浓度起伏”——同种元素及不同元

4、素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。2.2液态金属的性质2.2.1液态合金的粘度2.2.2液态合金的表面张力2.2.1液态金属的粘度（一）粘度表达式：Kb——Bolzmann常数；U——为无外力作用时原子之间的结合能τ0——为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13秒）δ——液体各原子层之间的间距粘度的影响因素：a）LiquidNib）LiquidCo液体的粘度与温度的关系（图中各曲线分别为不同研究者的研究结果）（二

5、）粘度对材料成形质量的影响影响铸件轮廓的清晰程度；影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧；影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。2.2.2液态合金的表面张力2、影响表面张力的因素1）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑2）表面张力与原子体积（δ3）成

6、反比，与价电子数Z成正比3）表面张力与温度：随温度升高而下降4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低；反之增加。2.2.3液体的结构和性质与材料成形的关系液体的界面张力、潜热等性质凝固过程的形核及晶体生长的热力学熔体的结构信息凝固的微观机制液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度铸造合金及焊接熔池的精炼2.3液态金属的流动性及充型能力2

7、.3.1液态金属的流动性及其影响因素2.3.2液态金属充型能力及其影响因素1.合金的流动性流动性流动性是指熔融金属的流动能力。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。2.3.1液态金属的流动性1）合金成分纯金属、共晶成分和金属间化合物流动性好，结晶温度范围宽的合金流动性差。比热容、密度较大的合金流动性好，导热系数小的合金流动性好。2）结晶潜热潜热约占金属含量热的85%~90%，结晶潜热释放越多，流动性越好。

8、3）液态金属的粘度及表面张力2.流动性的影响因素不同结晶特征的合金的流动性在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。液态金属停止流动机理与充型能力纯金属、共晶成分合金及结晶温度宽结晶温度合金停止流动机理示意图较窄的合金停止流动机理示意图前端析出15~20％的