1、12第一节 引言第二节 液态金属的结构 第三节 液态合金的性质第四节 液态金属的充型3第一节 引言一、一、液体的分类液体的分类二、二、液体的表观特征液体的表观特征4一、一、液体的分类液体的分类 按液体的构成类型，可分为：按液体的构成类型，可分为：l原子液体（如液态金属、液化惰性气体）原子液体（如液态金属、液化惰性气体）l分子液体（如极性与非极性分子液体），分子液体（如极性与非极性分子液体），l离子液体（如各种简单的及复杂的熔离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）盐）5二、二、液体的表观特征液体的表观特征l具有流动性具有流动性 （液体最显著的性质）（液体最显著的性质）；l可完全占据容器的空间并取得
2、容器内腔的形状可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状（类似于气（类似于气体，不同于固体）体，不同于固体）；l不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子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之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）；l具有自由表面具有自由表面 （类似于固体，不同于气体）（类似于固体，不同于气体）；l液体可压缩性很低液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。（类似于固体，不同于气体）。6第二节 液态金属的结构、固体金属的加热、熔化固体金属的加热、熔化、液体金属的结构液体金属的结构7一、一、固体金
3、属熔化为液态时的变化固体金属熔化为液态时的变化物质的物质的“三态三态”转变转变8 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、熔化熔化 和和 凝固成型凝固成型 三个阶段。三个阶段。配料配料是确定具有某些元素的各金属炉料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；的加入百分数；熔炼熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；的液态金属；凝固凝固是金属由液态向固态转变的结晶过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。程，它决定着金属材料的微观组织特征。91.1.金属中的原子结合金属中的原子结合 R，F 0R R0，
4、F0（引力）靠拢R R0，F0（斥力）分开R R0，F0 平衡10以双原子为模型，假设左边的原子在坐标原点被固定，右边的原子是自由的。温度升高时，右边自由振动原子的振幅增大。此时，若该原子以Ro为原点作简谐振动，则其平衡位置仍是Ro，就不会发生膨胀。当温度升高，其间距（振幅中心位置）将由RoR1R2R3R4。能量从W0W1W2W3W4 时，原子间距离将随温度的升高而增加，即产生热膨胀。这种膨胀只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。11膨胀原因？膨胀原因？热运动热运动2.2.金属的加热膨胀金属的加热膨胀升温升温热振动加剧，热振动加剧，E转化为势能达新的平衡转化为势能达新的平衡R1、R2、
5、R3（R0）平衡距离增加（平衡距离增加（膨胀膨胀）能量起伏能量起伏升温升温起伏加剧起伏加剧部分原子越过势垒部分原子越过势垒形成空穴形成空穴空穴移动、增多空穴移动、增多膨胀膨胀原子间距增大原子间距增大和和空穴空穴的产生的产生12熔点附近熔点附近晶界粘性流动晶界粘性流动接近熔点接近熔点继续吸热继续吸热（熔化潜热）（熔化潜热）晶粒瓦解，形成此起彼伏晶粒瓦解，形成此起彼伏的原子集团，游离原子和的原子集团，游离原子和空穴空穴约约3%3%7%7%3.3.金属的熔化金属的熔化从晶界开始从晶界开始晶粒相对滑动晶粒相对滑动晶粒失去原有形状晶粒失去原有形状晶粒瓦解，体积突然膨胀晶粒瓦解，体积突然膨胀温度不变，内能
6、增加温度不变，内能增加二、液态金属的结构二、液态金属的结构1.1.液体与固体、气体结构比较液体与固体、气体结构比较 固态固态按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为 晶体晶体与与非晶体非晶体。晶体：晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。复排列的物质称为晶体。单晶体：单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者在晶体中所有原子排列位向相同者多晶体：多晶体：金属通常是由位向不同的小单晶金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于（晶粒）组成，属于多晶体多晶体。1314 在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为频率
7、约为1013 次次/s。液态金属？液态金属？液态金属中的原子和固态时一样，均不能自液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的振动的能量能量和和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。液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。导热和流动性。液相结构？液相结构？152、液态金属的结构、液态金属的结构直接法直接法 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，液态金属中原子的排列
8、在几个原子的间距范围内，与与 其固态的排列方式基本一致，但由于原子间距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，的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。热运动增强。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。（1）体积和熵值的变化）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和气化潜热）熔化潜热和气化潜热 体积体积只膨胀只膨胀35，即即原子间距平均原子间距平均只增大只增大11.5 熔化潜热熔化潜热（Hm）只占只占气化潜热（气化潜热（Hb）的的37 这就可以认为金属由固态变成液态时，这就
9、可以认为金属由固态变成液态时，原子结原子结合键只破坏一个很小的百分数，合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的只不过它的熔化熔化熵熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中中原子热运动的混乱程度原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。，与固态相比有所增大。比热容比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有，与固态相比虽然稍大一些，但具有相相同同的的数量级。数量级。热物理性质热物理性质17表表1 1 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热液态金属在结构上更象固态而液态金属在结构上更象固态而不不是气态是气态，原子之间仍然具有很高的，原子之间仍然
10、具有很高的结合能。结合能。193、液态金属的结构特征、液态金属的结构特征l l）组成：组成：液态金属是由液态金属是由游动的原子团、空游动的原子团、空穴或裂纹穴或裂纹构成。构成。2 2）特征：特征：“近程有序近程有序”、“远程无序远程无序”原子间能量不均匀性，存在原子间能量不均匀性，存在能量起伏能量起伏。原子团是时聚时散，存在原子团是时聚时散，存在结构起伏结构起伏。同一种元素在不同原子团中的分布量不同，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，存在存在成分起伏成分起伏201200时液态金属原子的状态1500时液态金属原子的状态21 金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的凝结过程凝结过程，实质上
11、就是，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程原子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，金属从一种原子排列状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）的转变均属于结晶过程。（晶态）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金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶一次结晶；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。二次结晶。22第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质一、液态合金的粘度一、液态合金
12、的粘度二、液态合金的表面张力二、液态合金的表面张力23一、液态合金的粘度一、液态合金的粘度（一）（一）液态合金的粘度及其影响因素液态合金的粘度及其影响因素（二）（二）粘度在材料成形中的意义粘度在材料成形中的意义24（一）液态合金的粘度及其影响因素（一）液态合金的粘度及其影响因素1.1.液体粘度的定义及意义液体粘度的定义及意义2.2.粘度的影响因素粘度的影响因素251.1.液体粘度的定义及意义液体粘度的定义及意义 粘度系数粘度系数-简称粘度简称粘度(动力学粘度动力学粘度)，是根据牛顿提出，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的：的数学关系式来定义的：平行于平行于X方向作用于液体表面方向作用于液体表面
13、 （X-Z面）面）的外加剪切应力，的外加剪切应力，VX液体在液体在X方向的运动速度，方向的运动速度，dVX/dy表示沿表示沿Y方向的速度梯度。方向的速度梯度。.oV5V4V3V2V1YXZ外力作用于液体表面各原子层速度外力作用于液体表面各原子层速度 dydVX表述为：液体流动的速度梯度表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力与剪切应力成正比。成正比。通常条件下，所有的液态金属符通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。合牛顿定律，被称为牛顿液体。粘度的物理意义可视为：作用于粘度的物理意义可视为：作用于液体表面的应力大小与垂直于该液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度
14、梯度的比例系平面方向上的速度梯度的比例系数。数。液体粘度量纲为液体粘度量纲为M/LT，常用单位为，常用单位为 PaS 或或 MPaS。要产生相同的要产生相同的dVX/dy，液体内摩擦阻力，液体内摩擦阻力越大，即越大，即越大，所需外加剪切应力也越越大，所需外加剪切应力也越大。大。262.2.粘度的影响因素粘度的影响因素l粘度表达式：粘度表达式：K b Bolzmann常数；U 为无外力作用时原子之间的结合能t0 为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13秒）液体各原子层之间的间距粘度粘度随原子间结合能随原子间结合能U按指数关系增加，这可按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力
15、越大，则内摩以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；擦阻力越大，粘度也就越高；粘度的影响因素：粘度的影响因素：粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距际金属液的原子间距也非定值，温度升高，原也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，子热振动加剧，原子间距增大，随之下降；随之下降；与温度与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度温度T而下降；（温度很高时除外）而下降；（温度很高时除外）TkU
16、tTkbbexp03227合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：M-H（Moelwyn-Hughes）模型：1纯溶剂的粘度；纯溶剂的粘度；2溶质的粘度；溶质的粘度；X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数，分数，R为气体常数，为气体常数，Hm 为两组元的混合热。为两组元的混合热。RTHXXm21)(2211p若混合热若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（液的粘度上升（Hm为负值表明反应为放热反应，为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及异类原子间结合力大于同类原子，因此
17、摩擦阻力及粘度随之提高）粘度随之提高）若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。金液中存在异类原子间较强的化学结合键。表面活性元素（如向表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素合金中添加的变质元素Na）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。度提高。28化学成分对粘度的影响l固态杂质越多，粘度越大。固态杂质越多，粘度越大。lFe-CFe-C亚共晶合金，随着亚共晶合金，
18、随着C C含量的升高，粘含量的升高，粘度下降。共晶点时粘度最小，流动性最好。度下降。共晶点时粘度最小，流动性最好。29（二）（二）粘度在材料成形中的意义粘度在材料成形中的意义 先引入运动学粘度及雷诺数的概念：先引入运动学粘度及雷诺数的概念：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：l运动学粘度运动学粘度 适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度系数系数之后，之后，金和金和水两者近于一致。例如铸件浇注系统
19、的设计计算时，水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理来考虑）完全可以按水力学原理来考虑）。l动力学粘度动力学粘度 在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关。有关。/30l流态对流动阻力的影响：流态对流动阻力的影响：根据流体力学：当雷诺数根据流体力学：当雷诺数Re2300时为紊流，时为紊流，Re2300时为层流时为层流l圆形管道：圆形管道：f 为流动阻力系数：为流动阻力系数：0.2l显然，流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就
20、显然，流动阻力愈大，在管道中输送相同体积的液体所消耗的能量就愈大，或者说所需压力差也就愈大。愈大，或者说所需压力差也就愈大。vDvDRevDf3232Re层20202009200920.)(.Re.vDf紊31粘度对成形质量的影响l影响铸件轮廓的清晰程度影响铸件轮廓的清晰程度；l影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；l影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧；l影响精炼效果及夹杂或气孔的形成影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：l熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。32粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响粘度
21、对铸件轮廓的清晰程度的影响 在薄壁铸件的铸造过程在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。入表面活性物质等。33影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向 由于凝固收缩形成压力差由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的影响就会直接影响到铸件的质量。质量。34影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧
22、影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧 在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在铸造合金熔炼及焊接过程中，这些冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行的，金属液中的杂质元素及熔渣在金属液与熔渣的界面进行的，金属液中的杂质元素及熔渣中反应物要不断地向界面扩散，同时界面上的反应产物也需中反应物要不断地向界面扩散，同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学（反应速度和可进行到何种程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣和可进行到何种程度）受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，金属液和熔渣的动力学中的扩散速度
23、的影响，金属液和熔渣的动力学粘度粘度低则有低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素。35影响精炼效果及夹杂或气孔的形成影响精炼效果及夹杂或气孔的形成 金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固前排除出去，否则易形
24、成夹杂或气孔，破坏完全凝固前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而金属的连续性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比粘度成反比（流体力学的斯托克斯公式）。（流体力学的斯托克斯公式）。粘度粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔易形成夹杂或气孔。2)(92rgBm36对焊缝的合金过渡影响对焊缝的合金过渡影响 在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素的焊剂、在焊缝金属的合金化方法中，通
25、过含有合金元素的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。这类方法的合药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上进行的。熔渣及金属金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上进行的。熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣-熔池金熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。属界面上，向熔池金属内部扩散。37二、液态合金的表面张力（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义38表面张力是气表面张
26、力是气/液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关液界面现象，它的大小与液相和气相的性质有关（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素：液体表面内产生的平行于液体表面内产生的平行于表面切线方向且各向大小均等的张力。表面切线方向且各向大小均等的张力。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1010-7-7cmcm，相当于几个原子，相当于几个原子(分分子子)液层厚度。液层厚度。液体或固体同空气或真空接触的面液体或固体同空气或真空接触的面产生原因？产生原因？391、表面张力及其产生原因 分子压力：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
27、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。40原子或分子处于原子或分子处于力的平衡状态力的平衡状态受力不均，指向受力不均，指向内部的合力内部的合力这种受力不均引起这种受力不均引起表面原子的势能比表面原子的势能比内部原子的势能高，内部原子的势能高，所以物体倾向于减所以物体倾向于减小表面积小表面积 图 位置不同的原子或分子作用力模型a、位于液体内部 b、位于液体表面41lFb简单的薄膜拉伸试验42 由于液体表面层内质点受到不平衡力
28、场的作用，导致由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面能表面能。如图所。如图所示，设表面示，设表面S S在绷紧力在绷紧力F F的作用下，拉长了的作用下，拉长了dxdx距离距离dA dAFdx)(lFdxFWlllFdAW 进一步可得进一步可得表面能：产表面能：产生新的单位生新的单位面积表面时面积表面时系统自由能系统自由能的增量的增量则外力所做的功为：则外力所做的功为：2 2、表面自由能与表面张力的关系、表面自由能与表面张力的关系43 由此可见，表面张力由此可见，表面张力 是表面是表面S S内垂直内垂直F F方方向
29、的单位长度上的拉紧力；向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dAdA外力所做的可逆外力所做的可逆功，称之为功，称之为表面能表面能。443、表面与界面表面与界面l 表面与界面的差别在于后者泛指表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的两相之间的交界面交界面，而前者特指，而前者特指液体（或固体）与气体之间液体（或固体）与气体之间的交界面的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和
30、表面张力。能和表面张力。454、影响表面张力的因素影响表面张力的因素影响液态金属表面张力的因素主要有影响液态金属表面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素熔点、温度和溶质元素熔点熔点温度温度原子间的结合力大的物质，其熔点、沸点高，原子间的结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。则表面张力往往就大。常用的几种金属的表面张力与熔点的关系常用的几种金属的表面张力与熔点的关系如表如表所示所示表面张力的实质是表面张力的实质是 质点间的作用力质点间的作用力表面张力与温度的定量关系表达式：表面张力与温度的定量关系表达式：)TTc(Vk32V：摩尔体积，T热力学温度，Tc为液气临界点温度，k为温度系
31、数可知：表面张力随温度升高而下降表面张力随温度升高而下降4647溶质元素溶质元素溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类使表面张力降低的溶质元素叫使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素表面活性元素，“活性活性”之义为表面浓度之义为表面浓度大于大于内部浓度，也称内部浓度，也称正吸附元素正吸附元素提高表面张力的元素叫提高表面张力的元素叫非表面活性元素非表面活性元素，其表面，其表面的含量的含量少于少于内部含量，称内部含量，称负吸附元素负吸附元素。48按照常规的理解，当在按照常规的理解，当在A溶剂中加入溶质溶剂中加入溶质B后，溶质后，溶质B在溶剂在溶剂A中各部分
32、的浓度应该均等。中各部分的浓度应该均等。但试验表明，在多数情况下，溶液表层的溶质浓度并不等于但试验表明，在多数情况下，溶液表层的溶质浓度并不等于溶液内部的浓度，有下列三种情况：溶液内部的浓度，有下列三种情况：(1)CB表面表面CB内部内部 正吸附现象；正吸附现象；(2)CB表面表面CB内部内部 负吸附现象；负吸附现象；(3)CB表面表面=CB内部内部 无吸附现象。无吸附现象。?加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后改变了改变了溶液表面层质点的力场不对称性程度。溶液表面层质点的力场不对称性程度。49 热力学上，热力学上，系
33、统总是向减少自由能方向进行，系统总是向减少自由能方向进行，液体表面的自由能总是趋向最小。液体表面的自由能总是趋向最小。如果加入溶质如果加入溶质B降低了溶剂降低了溶剂A的表面张力，则表的表面张力，则表面层就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。面层就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。表面活性物质表面活性物质跑向表面跑向表面 反之，如果加入溶质反之，如果加入溶质B后，增加了溶剂的表后，增加了溶剂的表面张力，则表面层就会排斥溶质原子面张力，则表面层就会排斥溶质原子B，而形，而形成负吸附现象。成负吸附现象。如果加入溶质如果加入溶质B后，并不改变容剂的表面张后，并不改变容剂的表面张力，则不形成吸附现象，
34、整个溶液浓度是均匀力，则不形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。的。50吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：吉布斯溶液表面的吸附公式，通常写成：表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度表明了溶质对某液相的活性和和非活性的程度 指恒温时，表面（界面）张力随表面浓度的变化率，称指恒温时，表面（界面）张力随表面浓度的变化率，称为表面活性。为表面活性。时，表明随着溶质浓度增加，溶液的界面张力降低时，表明随着溶质浓度增加，溶液的界面张力降低 时，表明随着溶质浓度增加，溶液的界面张力增大时，表明随着溶质浓度增加，溶液的界面张力增大 时，即界面溶质浓度变化量，此时无吸附现象发生时，即界面溶质浓度变化量，此时无
35、吸附现象发生。T)dCd(RTCT)dC/d(0)dC/d(T0)dC/d(T0)dC/d(T51还可以看出，吸附量还可以看出，吸附量 与表面活性与表面活性 和溶质浓度和溶质浓度（C）成正比，与绝对温度（）成正比，与绝对温度（T）成反比。）成反比。因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。因此，升高温度，会使表面吸附的溶质量减少。T)dC/d(52（二）（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义表面张力在材料成形生产技术中的意义 表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用小体积系统会显示很大的作用l界面张力与润湿角界面张
36、力与润湿角l表面张力引起的曲面两侧压力差表面张力引起的曲面两侧压力差l液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响（液膜理论）影响（液膜理论）531 1、界面张力与润湿角、界面张力与润湿角l 接触的两相质点间结合力越大，界面张接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。例如：水银与玻璃间及金属液与例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎以两相间的界面张力很大，几
37、乎不润湿。相反，同一金属（或合不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。合，界面张力与润湿角就很小。液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。形核率越高。熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。的保护效果与焊缝外观成形。54式中式中 SG 固相固相/气相界面张力；气相界面张力；LS 液相液相/固相界面张力；固相界面张力；LG 液相液相/气象界面张力。气象界面张力。cosLGLSSG当固相表面有液相和
38、气相时，发生界面现象如图当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图(a)所示。所示。润湿角润湿角：衡量界面张力的标志：衡量界面张力的标志平衡时水平分量的平衡关系为：平衡时水平分量的平衡关系为：当液、气相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见当液、气相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见(b)所示。所示。55LGLSSGcos2 2）SGSG 9090，液体倾向于形成液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。球状，称为液体不能润湿固体。=180=180为完全不润湿。所为完全不润湿。所以以角又称为润湿角。角又称为润湿角。1 1）SGSG LSLS时，时，coscos为正值，即为正值，即90 90
39、o 4 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-铸铸 钢钢4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-铝铝 合合 金金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.867合金的螺旋形流动性实验合金的螺旋形流动性实验l在相同的条件下浇注各种合在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。示合金的充型能力。充型能力的计算充型能力的计算充型过程：液体金属的非稳定的流动过程充型过程：液体金属的非稳定的流动过程l=v t 主要
40、是计算流动时间tghv2充型能力示意图充型能力示意图69液态金属停止流动机理与充型能力图图a 纯金属、共晶成分合金及结晶温度纯金属、共晶成分合金及结晶温度 图图b 宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止 很窄的合金停止流动机理示意图很窄的合金停止流动机理示意图 流动机理示意图流动机理示意图前端析出前端析出1520的固的固相量时，流动就停止。相量时，流动就停止。充型能力强充型能力强流动时间tt1+t2(1)t1过热温度流动段 (2)t2凝固开始到停止流动时间段 充型能力流动长度l=v t TcVtATTdddd11）型(TcVtATTdddd11）型(型浇TTTTCkLPFgHlL)(K11271
41、影响充型能力的因素影响充型能力的因素1.金属性质方面的因素金属性质方面的因素（流动性的高低）2.铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素3.浇注条件方面的因素721.金属性质方面的因素金属性质方面的因素l纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合金：纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合金：在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由在固定的凝固温度下，已凝固的固相层由表面逐步向内部推进，固相层内表面比较表面逐步向内部推进，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动光滑，对液体的流动阻力小，合金液流动时间长，所以流动性好，具有宽结晶温度时间长，所以流动性好，具有宽结晶温度范围的合金流动性不好；范围的合金流动性不
42、好；结晶潜热（约为液态金属热量的结晶潜热（约为液态金属热量的8590%）：）：对于纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合对于纯金属、共晶和结晶温度范围窄的合金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越金，放出的潜热越多，凝固过程进行的越慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，慢，流动性越好，因此潜热的影响较大，对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性对于宽结晶温度范围的合金潜热对流动性影响不大。影响不大。合金液的比热、密度越大，导热系数越小合金液的比热、密度越大，导热系数越小,充充型能力越好；型能力越好；合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对合金液的粘度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后
43、期凝固中流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。（属层流）对流动性影响较大。例：例：Fe-CFe-C合金流动性与成分的关系合金流动性与成分的关系732、铸型性质方面的因素：、铸型性质方面的因素：l铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数l b2越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。态的时间就越短，充型能力下降。l金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数金属型（铜、铸铁、铸钢等）的蓄热系数b2是砂型的十是砂型的十倍或数十倍以上，为了使金属型浇口和冒口中的金属液倍或数十倍以上，为了使金属型浇口和冒口中的
44、金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。很小的石棉粉。l湿砂型的湿砂型的b2是干砂型的是干砂型的2倍左右，砂型的倍左右，砂型的b2与造型材料的与造型材料的性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。性质、型砂成分的配比、砂型的紧实度等因素有关。2222cb743、浇注条件方面的因素l 浇注温度越高、充型压浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充头越大，则液态金属的充型能力越好；型能力越好；l 浇注系统（直浇道、横浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度等也会影响液态金属的度等也
45、会影响液态金属的充型能力。充型能力。第五节第五节 半固态流变规律半固态流变规律 液态金属合金冷却到液相线温度后开始结晶析出固相。液态金属合金冷却到液相线温度后开始结晶析出固相。随着温度进一步降低，析出固态的比例逐渐增大；随着温度进一步降低，析出固态的比例逐渐增大；当温度降到固相线以下时合金全部转变为固相，凝固当温度降到固相线以下时合金全部转变为固相，凝固过程结束。过程结束。在液相线和固相线之间的温度范围内，结晶析出的固在液相线和固相线之间的温度范围内，结晶析出的固相与液相共存，此区域的金属合金称为相与液相共存，此区域的金属合金称为半固态金属半固态金属。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶
46、段。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。铸造产品中的很多缺陷如铸造产品中的很多缺陷如:热裂纹、缩孔热裂纹、缩孔等产生于凝固过程中的半固态阶段；等产生于凝固过程中的半固态阶段；通过实验发现，强烈搅拌正在凝固的金属，通过实验发现，强烈搅拌正在凝固的金属，可得到可得到具有近球状晶粒结构的半固态金属具有近球状晶粒结构的半固态金属，这种半固态金属可用于金属零部件的成形这种半固态金属可用于金属零部件的成形加工。加工。一一枝晶结构枝晶结构在合金在合金凝固初期凝固初期，固相分数很低，结晶固相可以，固相分数很低，结晶固相可以自由自由地在母液中地在母液中游动游动。随着凝固的继续进行，固相分数随着凝固的继
47、续进行，固相分数逐渐增大逐渐增大，在达到某一在达到某一临界临界固相分数后，结晶晶粒相互搭接成为固相分数后，结晶晶粒相互搭接成为枝晶网络枝晶网络，结晶固相就形成了一个结晶固相就形成了一个相互连接的整体相互连接的整体而不能自由地而不能自由地游动，游动，只有剩余液相能只有剩余液相能在枝晶网络间流动在枝晶网络间流动，而且枝晶网络对，而且枝晶网络对液相在其间的流动具有较大的阻力。液相在其间的流动具有较大的阻力。由于枝晶网络的形成，使半固态金属具有可测的强由于枝晶网络的形成，使半固态金属具有可测的强度和高达度和高达1068Pas数量级的粘度。数量级的粘度。二二非枝晶结构非枝晶结构 缓慢冷却正在凝固的金属合
48、金并进行强烈的搅拌，缓慢冷却正在凝固的金属合金并进行强烈的搅拌，则在析出固相晶粒之间以及它们与液相之间发生则在析出固相晶粒之间以及它们与液相之间发生l碰撞碰撞l摩擦摩擦l冲刷冲刷 使固相颗粒在各个方向上温度均匀，没有热使固相颗粒在各个方向上温度均匀，没有热流的方向性，在固流的方向性，在固液界面也没有溶质富聚现象，液界面也没有溶质富聚现象，从而消除了从而消除了“成分过冷成分过冷”，便得晶粒在各个方向，便得晶粒在各个方向上的长大速度均匀，成为完整的颗粒悬浮于母液上的长大速度均匀，成为完整的颗粒悬浮于母液中，这种结构的半固态金属中，这种结构的半固态金属悬浮液悬浮液具有很好的流具有很好的流动性。动性。
49、液态金属冷却到液态金属冷却到液液/固两相区固两相区后，液态金属就开始结晶。后，液态金属就开始结晶。通过对液态金属的连续通过对液态金属的连续搅拌搅拌，迫使，迫使枝晶破碎枝晶破碎而维持固相质点而维持固相质点尺寸在尺寸在100200m100200m左右，左右，随着冷却散热不断增多，形成一种可以随着冷却散热不断增多，形成一种可以流动的半固态金属浆流动的半固态金属浆料料。浆料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；随着固体组分浆料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；随着固体组分的增加，粘度逐渐增加。的增加，粘度逐渐增加。当固体组分达当固体组分达50%50%时，如果停止搅拌，粘度可达时，如果停止搅拌，粘度可达
50、10106 6PasPas。这样高粘度的半固态金属，就这样高粘度的半固态金属，就像固体一样可以搬运。像固体一样可以搬运。当它被剪切时，其粘度迅速下降，仍能保持流动的特性，可当它被剪切时，其粘度迅速下降，仍能保持流动的特性，可象粘性液体一样象粘性液体一样以极低的粘度进行成形加工以极低的粘度进行成形加工把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成铸件，称把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成铸件，称为为流变铸造流变铸造。流变铸造优点：流变铸造优点：半固态金属在压铸成型之前，已有半固态金属在压铸成型之前，已有50%的金属的金属释放掉了结晶潜热，降低了对压铸模具的释放掉了结晶潜热，降低了对压铸模
