第二讲-液态金属性质-材料成型原理-教学课件.ppt

材料成型原理材料成型原理第第1章章 液态金属液态金属1.1 液态金属基本理论1.1.1 液态金属的性质液态金属的结构液态金属的结构 金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？配料、配料、配料、配料、熔化熔化熔化熔化 和和和和 凝固成型凝固成型凝固成型凝固成型 三个阶段。三个阶段。三个阶段。三个阶段。配料配料配料配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；熔炼熔炼熔炼熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；凝固凝固凝固凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。液相成型液相成型固态金属固态金属 按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为 晶体与非晶体晶体与非晶体。晶体晶体凡凡是是原原子子在在空空间间呈呈规规则则的的周周期期性性重重复复排排列列的的物质称为晶体。物质称为晶体。单晶体单晶体在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体单晶体单晶体单晶体多晶体多晶体大大多多数数金金属属通通常常是是由由位位向向不不同同的的小小单单晶晶（晶晶粒）组成，属于粒）组成，属于多晶体多晶体。在在在在固固固固体体体体中中中中原原原原子子子子被被被被束束束束缚缚缚缚在在在在晶晶晶晶格格格格结结结结点点点点上上上上，其其其其振振振振动动动动频频频频率约为率约为率约为率约为10101313 次次次次/s/s。液态金属？液态金属？液液液液态态态态金金金金属属属属中中中中的的的的原原原原子子子子和和和和固固固固态态态态时时时时一一一一样样样样，均均均均不不不不能能能能自自自自由由由由运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动 但振动的但振动的但振动的但振动的能量能量能量能量和和和和频率频率频率频率要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。液液液液态态态态金金金金属属属属宏宏宏宏观观观观上上上上呈呈呈呈正正正正电电电电性性性性，具具具具有有有有良良良良好好好好导导导导电电电电、导导导导热和流动性。热和流动性。热和流动性。热和流动性。液相结构？液相结构？表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热 固体固体可以是非晶体也可以是晶体，可以是非晶体也可以是晶体，而而液态金属液态金属则几乎总是非晶体则几乎总是非晶体。液液态态金金属属在在结结构构上上更更象象固固态态而而不不是是汽汽态态，原原子子之之间间仍仍然然具具有有很很高高的的结合能。结合能。2 2X X射线衍射分析射线衍射分析射线衍射分析射线衍射分析3 3 图图图图1-11-1是是是是由由由由X X射射射射线线线线衍衍衍衍射射射射结结结结果果果果整整整整理理理理而而而而得得得得的的的的原原原原子子子子密密密密度度度度分分分分布曲线。布曲线。布曲线。布曲线。4 4 横横横横坐坐坐坐标标标标r r为为为为观观观观测测测测点点点点至至至至某某某某一一一一任任任任意意意意选选选选定定定定的的的的原原原原子子子子（参参参参考考考考中中中中心心心心）的的的的距距距距离离离离，对对对对于于于于三三三三维维维维空空空空间间间间，它它它它相相相相当当当当于于于于以以以以所所所所选选选选原原原原子子子子为球心的一系列为球心的一系列为球心的一系列为球心的一系列球体的半径球体的半径球体的半径球体的半径。5 5 纵纵纵纵坐坐坐坐标标标标 表表表表示示示示当当当当半半半半径径径径增增增增减减减减一一一一个个个个单单单单位位位位长长长长度度度度时时时时，球球球球体体体体（球球球球壳壳壳壳）内内内内原原原原子子子子个个个个数数数数的的的的变变变变化化化化值值值值，其其其其中中中中 （r r）称称称称为为为为密度函数。密度函数。密度函数。密度函数。图图1-1 700液液态铝中原子密态铝中原子密度分布线度分布线uu可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于 曲线与固态时的曲线与固态时的曲线与固态时的曲线与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。uu其其其其第一峰值第一峰值第一峰值第一峰值与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（第一条垂线第一条垂线第一条垂线第一条垂线）极为接）极为接）极为接）极为接近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。uu第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着而且随着而且随着而且随着r r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。uu当它与所选原子相距太远的距离时当它与所选原子相距太远的距离时当它与所选原子相距太远的距离时当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列进入无序原子排列进入无序原子排列进入无序原子排列进入无序状态。状态。状态。状态。uu表明，表明，表明，表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。4 4 4 4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为成分起伏成分起伏成分起伏成分起伏。金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的凝团过程凝团过程凝团过程凝团过程，实质上就是，实质上就是，实质上就是，实质上就是原子原子原子原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，从这个意义上理解，从这个意义上理解，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态金属从一种原子排列状态（晶态金属从一种原子排列状态（晶态金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。结晶。结晶。结晶。1.1.2 粘度理论uu液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。uu流流流流体体体体在在在在层层层层流流流流流流流流动动动动状状状状态态态态下下下下，流流流流体体体体中中中中的的的的所所所所有有有有液液液液层层层层按按按按平平平平行行行行方方方方向向向向运动。运动。运动。运动。uu在在在在层层层层界界界界面面面面上上上上的的的的质质质质点点点点相相相相对对对对另另另另一一一一层层层层界界界界面面面面上上上上的的的的质质质质点点点点作作作作相相相相对对对对运运运运动动动动时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。uu当当当当相相相相距距距距1cm1cm的的的的两两两两个个个个平平平平行行行行液液液液层层层层间间间间产产产产生生生生1cm/s1cm/s的的的的相相相相对对对对速速速速度度度度时时时时，在在在在界界界界面面面面1cm1cm2 2面面面面积积积积上上上上产产产产生生生生的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦力力力力，称称称称为为为为粘粘粘粘滞滞滞滞系系系系数数数数或或或或粘粘粘粘度。度。度。度。uu粘度的单位是粘度的单位是粘度的单位是粘度的单位是PasPas。uu粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的流动性流动性流动性流动性。uu粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。uu 牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律uuF F(x)(x)=dv/dy=dv/dy 与面积无关与面积无关与面积无关与面积无关uuF F(x)(x)=AAdv/dydv/dyuu 动动动动 力力力力 粘粘粘粘 度度度度 系系系系 数数数数（mm2 2/N.S/N.S）uu=/运运运运 动动动动 粘粘粘粘 度度度度 系系系系 数数数数(m(m2 2/s)/s)1.1.3 表面和界面张力 表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。A A、表面张力和表面能、表面张力和表面能 表面张力：在液体表面内产生的平行于液表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各向均等的张力，称之为表面张力。体表面、且各向均等的张力，称之为表面张力。表面张力是气表面张力是气/液界面现象，它的的大小与液界面现象，它的的大小与液相和气相的性质有关。液相和气相的性质有关。产生张力的表面层厚度不超过产生张力的表面层厚度不超过10-7cm10-7cm，相，相当于几个原子当于几个原子(分子分子)液层厚度。液层厚度。表面张力：使液体趋于球状的力 表面张力引起的附加压力 p=2/r 球状 p=(1/r1+1/r2)任意形状 由此可见，表面张力由此可见，表面张力由此可见，表面张力由此可见，表面张力 是表面是表面是表面是表面S S内垂直内垂直内垂直内垂直F F方向方向方向方向的单位长度上的拉紧力；的单位长度上的拉紧力；的单位长度上的拉紧力；的单位长度上的拉紧力；也是增加单位表面积也是增加单位表面积也是增加单位表面积也是增加单位表面积dAdA外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，称之为表面能。称之为表面能。称之为表面能。称之为表面能。表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表面张力为如表面张力为如表面张力为如表面张力为10-1N/m10-1N/m，则表面能为，则表面能为，则表面能为，则表面能为10-10-1J/m21J/m2。uu由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力 就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。uuB B、界面张力和界面能、界面张力和界面能 界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。相似。相似。相似。界面与表面的界面与表面的界面与表面的界面与表面的差别：差别：差别：差别：界面泛指界面泛指界面泛指界面泛指两相之间的交界面两相之间的交界面两相之间的交界面两相之间的交界面；表面专指表面专指表面专指表面专指液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面，确切的说，是指确切的说，是指确切的说，是指确切的说，是指液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面。引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的上的上的上的质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡所引起的。所引起的。所引起的。所引起的。图图18 同时与固相和气相接触的球冠形液相的同时与固相和气相接触的球冠形液相的界面张力的平衡情况界面张力的平衡情况 影响影响 表面张力的因素：表面张力的因素：1.温度温度 2.溶质：溶质：d/dc0 非表面活性元素非表面活性元素 液固界面现象 1.润湿 2.不润湿 3.杨氏方程：称为称为杨氏方程式杨氏方程式，接触角接触角的值与各界面张力的相的值与各界面张力的相对值有关。对值有关。1 1）SGSGLSLS时，时，coscos为正值，即为正值，即9090称为液体能称为液体能润湿固体。润湿固体。=0=0时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。完全润湿。2 2）SGSG9090，液体倾向液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。于形成球状，称为液体不能润湿固体。=180=180为完全不为完全不润湿。所以润湿。所以角又称为润湿角。角又称为润湿角。转换公式得转换公式得:1.1.41.1.4流动性与充型能力流动性与充型能力uu 流动性：液态金属本身的流动能力。流动性：液态金属本身的流动能力。uu 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清清 晰的铸件的能力。晰的铸件的能力。影响充型能力的因素：金属、铸型、浇注条件、铸件结构 流动性测量：螺旋试样停止流动机理：