三章液态金属的结构和质.ppt

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1、金属成型理论基础三章液态金属的结构和质 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望金属成型理论基础3.1 液态金属的结构液态金属的结构 一、金属的加热膨胀和熔化一、金属的加热膨胀和熔化 1.膨胀的原因：膨胀的原因：（1）原子间的斥力和引力随距离变化快慢不同，）原子间的斥力和引力随距离变化快慢不同，势能曲线不对称，振动中心位置变远，原子间距增势能曲线不对称，振动中心位置变远，原子间距增大大 （2）“空穴空穴”的产生的产生 2金属成型理论基础结合力与结合能3金属成

2、型理论基础结合力与结合能原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。4金属成型理论基础5金属成型理论基础 金属从规则的原子排列突变为紊乱的金属从规则的原子排列突变为紊乱的 非晶质的过程，该过程中吸收的热量除了非晶质的过程，该过程中吸收的热量除了 使体积膨胀做功外，还增加了系统的内使体积膨胀做功外，还增加了系统的内 能。能。实践证明，金属熔化从晶界开始。实践证明，金属熔化从晶界开始。2.熔化熔化6金属成型理论基础二、液态金属的结构二、液态金属的结构 1.间接法间接法 通过比较固液态和固气态转变的物理通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。性质的变化判断。（

3、1）体积和熵值的变化）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热）熔化潜热和汽化潜热 2.直接法直接法 X射线或中子线分析研究液态金属的原射线或中子线分析研究液态金属的原 子排列。子排列。液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与 其固态的排列方式基本一致，但由于原子间距的增大和空其固态的排列方式基本一致，但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。7金属成型理论基础700时液态Al中原子分布图8金属成型理论基础（1）原子间仍保持较强的结合能，平均原）原子间仍保持较强的结合能，

4、平均原 子间距增加不大；子间距增加不大；（2）原子排列在较小距离内仍具有一定规）原子排列在较小距离内仍具有一定规 律性，原子集团呈律性，原子集团呈“近程有序排列近程有序排列”；（3）原子集团处在）原子集团处在“能量起伏能量起伏”状态；状态；（4）原子集团处在）原子集团处在“结构起伏结构起伏”状态；状态；3.液体状态的结构有以下特点：液体状态的结构有以下特点：9金属成型理论基础1200时液态金属原子的状态1500时液态金属原子的状态10金属成型理论基础11金属成型理论基础12金属成型理论基础 能量起伏能量起伏 结构起伏结构起伏浓度起伏浓度起伏13金属成型理论基础3.2 液态金属的性质液态金属的性

5、质液态金属的表面现象液态金属的表面现象液态金属的黏性液态金属的黏性14金属成型理论基础一、液态金属的黏性一、液态金属的黏性（一）（一）动力黏度和运动黏度动力黏度和运动黏度 动力黏度15金属成型理论基础 影响粘度的因素有以下主要方面：影响粘度的因素有以下主要方面：（）温度（）温度 温度高则粘度小。温度高则粘度小。（）化学成分（）化学成分 难熔化合物的粘度高，而难熔化合物的粘度高，而 熔点低的共晶成分合金其粘度低熔点低的共晶成分合金其粘度低（）非金属夹杂物（）非金属夹杂物呈固态的非金属夹杂呈固态的非金属夹杂 物使液态合金的粘度增加。物使液态合金的粘度增加。16金属成型理论基础（二）合金黏度对铸件质

6、量的影响（二）合金黏度对铸件质量的影响 动力黏度高，充型过程中的运动阻力就动力黏度高，充型过程中的运动阻力就大，大，易造成浇不到。易造成浇不到。雷诺数雷诺数在浇注系统和型腔流动时的紊在浇注系统和型腔流动时的紊流程度。流程度。17金属成型理论基础 黏度对铸件形成过程的影响黏度对铸件形成过程的影响 （）对液态金属流态的影响液态金属的流（）对液态金属流态的影响液态金属的流 动阻力在层流时受粘度的影响远比在紊动阻力在层流时受粘度的影响远比在紊 流时的大。流时的大。（）对液态金属对流的影响运动粘度愈大（）对液态金属对流的影响运动粘度愈大，对流强度愈小。对流强度愈小。（）对液态金属净化的影响液体的粘度越大

7、，（）对液态金属净化的影响液体的粘度越大，杂质留在铸件中的可能性就越大。杂质留在铸件中的可能性就越大。18金属成型理论基础Stokes公式公式 合金液中的气泡和非金属夹杂物在金属液中的合金液中的气泡和非金属夹杂物在金属液中的上浮速度：上浮速度：适用对象适用对象直径小于直径小于0.1mm的球形气泡或杂质。的球形气泡或杂质。19金属成型理论基础二、二、液态合金的表面现象液态合金的表面现象（一）分子压力：（一）分子压力：由于任何相界面由于任何相界面处表相分子受力不处表相分子受力不均匀均匀,表相分子有表相分子有向体相运动的趋势向体相运动的趋势因而表相对体相产因而表相对体相产生一种压力生一种压力,称为称

8、为“分子压力分子压力”。这。这是产生是产生表面张力的表面张力的根源。根源。20金属成型理论基础b简单的薄膜拉伸试验21金属成型理论基础（二）弯曲液面的附加压力 1.附加压力：当当相相界界面面为为曲曲面面时时，还还会会产产生生另另一种压力，称为附加压力。附加压力定义为：一种压力，称为附加压力。附加压力定义为：P PA A=P=Pr r-P-P 其其中中:P P和和P Pr r分分别别为为平平相相界界面面和和弯弯曲曲相相界界面面时时体体相相所所受受的的压压力力。可可见见,附附加加压压力力是是任任意意形形状状界面时比平界面时多出的压力。界面时比平界面时多出的压力。22金属成型理论基础任意弯曲的液任意

9、弯曲的液-气表面，附加压力气表面，附加压力p：R1,R2界面上两个相互垂直弧线的曲率半径界面上两个相互垂直弧线的曲率半径当为球状时当为球状时23金属成型理论基础2.弯曲液面的附加压力24金属成型理论基础附加压力的推导：设设想想在在液液态态钎钎料料内内部部形形成成一一个个球球形形的的气气泡泡,气气泡泡的的半半径径为为r,r,当当温温度度一一定定时时液液体体所所受受的的压压力力为为P P。当当压压力力P P发发生生微微小小变变化化时时,则则气气泡泡的的表表面面积积A A和和体体积积V V均均发发生生微微小小改改变变dAdA和和dV,dV,则有：则有：对于球形气泡对于球形气泡 V=4 4r3/3,d

10、V=4 4r2dr A=4 4r2,dA=8 8rdr所以：所以：dA/dV=2/r故：故：PA=2/r 可见附加压力与表面张力成正比可见附加压力与表面张力成正比,与界面曲率半径成反比与界面曲率半径成反比。气泡法测定附加压力示意图气泡法测定附加压力示意图 25金属成型理论基础YoungLaplace方程 对于球面：对于球面：R1=R2=r,则则PA=2/r；对于平面：对于平面：R1,R2 ，则则PA。26金属成型理论基础（三）固（三）固-液液-气界面张力气界面张力固体表面的液滴及表面张力的示意27金属成型理论基础根据力的平衡原理：28金属成型理论基础（四）影响表面张力的因素（四）影响表面张力的

11、因素1.熔点（原子结合力）熔点（原子结合力）熔点高的物质，其原子结合力大，表面张力大熔点高的物质，其原子结合力大，表面张力大2.温度温度 多数金属和合金，温度升高，表面张力降低；多数金属和合金，温度升高，表面张力降低；但少数合金，如铸铁、碳钢、铜及其合金等随但少数合金，如铸铁、碳钢、铜及其合金等随 温度升高表面张力升高。温度升高表面张力升高。3.溶质溶质 使表面张力降低使表面张力降低 表面活性物质；表面活性物质；使表面张力升高使表面张力升高 非活性物质；非活性物质；29金属成型理论基础（五）（五）对铸型工艺的影响对铸型工艺的影响冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需要克服附加压头。要克服附加压头。不浸润时管孔中的附加压头30