重庆大学金属凝固原理-课件--第2章-液态金属的结构和性质

第二章液态金属的结构与性质§2-1液体的分类及其基本特征一、液体的分类·原子液体（如液态金属、液化惰性气体）·分子液体（如极性与非极性分子液体）·离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）二、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）。三、液体的基本性质•物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等；•物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等；•热力学性质：蒸汽压、热膨胀与凝固收缩及其它金属液体粘度较大，而水几乎没有粘度。§2-2液态金属的结构一、液体与固体、气体结构比较二、目前研究液态金属结构的方法三、实际金属的液态结构一、液体与固体、气体结构比较–晶体:平移、对称性特征（长程有序）——原子以一定方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：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二、目前研究液态金属结构的方法1.间接研究方法：研究金属熔化、汽化时的物理现象间接研究液态结构。·体积变化金属熔化后，体积一般膨胀4-7%（见表2-1），原子间距增大1.0～1.5%，而汽化后，体积膨胀为无限大，说明液态金属在低温时接近固态。·热量变化由表2-1可知，金属的熔化潜热只占汽化潜热的很小部分（7.0%），说明其结构接近固态。2.直接研究方法：通过液态金属X射线衍射分析来直接研究金属的液态结构。以700℃液态铝的X射线衍射结构分析为例（见图2-1）；X射线所得到液态和固态金属结构参数见表2-2。由图2-1和表2-2分析得出：·液态金属中，原子间结合力仍很强，平均原子间距增加不大。·液态金属结构为“近程有序”，即由10几个至几百个原子形成的集团所组成，在每一个原子集团内原子排列是有序的。·原子集团的热运动很强，能量起伏大，原子集团是瞬时的，游动的。·原子集团之间的距离较大，存在“空穴”，“空穴”中可能有游离原子、杂质原子，也可能由裂纹或气泡构成。“空穴”也是瞬时的，游动的。·原子集团的平均尺寸和游动的速度与温度有关，温度越高，其平均尺寸越小，游动速度越快。图2-2为不同温度下，液态金属结构示意图。1200℃1700℃1550℃1400℃图2-2不同温度下液态金属结构示意图三、实际液态金属的结构•“能量起伏”——各个原子集团的动能不同•“结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇存在着结构上的差异。•“浓度起伏”——同种元素及不同元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。小结：液体金属的结构是由许多瞬时的、游动的、近程有序的原子集团和空隙组成，原子集团间存在能量起伏、结构起伏和浓度起伏。§2-3液态金属（合金）的性质液态合金有各种性质，与材料成形过程关系特别密切的主要有两个性质：一、液态金属（合金）的粘度二、液态金属（合金）的表面张力一、液态金属（合金）的粘度1.液态合金的粘度及其影响因素2.粘度在材料成形中的意义1.液态金属的粘度及其影响因素（1）粘度的定义及意义（2）影响粘度的因素（1）粘度的定义及意义粘度——液体在层流运动状态下，各液层间存在阻碍液体流动的内摩擦阻力，该内摩擦阻力称为粘度。)(xF—两液层间的相对移动速度—与液体性质有关的系数由牛顿液体粘滞定律，得两液层间的摩擦力：dydsxFx)(式中：图2-3力作用于液面各层的速度—两液层间的接触面积s12345dydxxyz由上式得：dydsxFx/)(（Pa·s或MPa·s）称为动力粘度系数，简称动力粘度。如果在外力作用下的水力学流动，则液体密度ρ对流动的影响可忽略，则得到运动粘度：（m2/s）（2）影响粘度的因素a.温度的影响由富林克尔粘度表达式：KB——Boltzmann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TkUTkBBexp203由上式看出：粘度随原子间距δ增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，随之下降；粘度随原子间结合能U按指数关系增加，这可以理解为，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；与温度T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，总的趋势随温度T而下降（见下图）；a）液态Nib）液态Co图2-4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）b.合金组元（成分）的影响：M-H（Moelwyn-Hughes）模型：——纯溶剂的粘度；——溶质的粘度；X1、X2分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数，R为气体常数，Hm为两组元的混合热。2RTHXXm21)(22111若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（Hm为负值表明反应为放热反应）若混合热Hm为正值，合金元素的增加会使合金液的粘度下降（Hm为正值表明反应为吸热反应）如：Fe-C合金中随C含量的增加，粘度下降。Al-Si合金中随Si含量的增加，粘度下降。它们均在共晶成分时粘度最低。液态合金中形成的夹杂物，均使粘度上升。如钢中的MnS、Al2O3、SiO2等。若溶质与溶剂在液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Al-Si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度提高。(1)流态对流动阻力的影响：根据流体力学：当雷诺数Re＞2300时为紊流，Re＜2300时为层流•圆形管道：•f为流动阻力系数：→∝→∝•显然，粘度越大，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。在相同的外力作用下，流速和流量越小，可能造成充不满铸型。DvDReDf32Re32层2.02.02.0)(092.0Re092.0Df紊2.粘度在材料成形中的意义D-水力学半径-液体的临界速度()ηυρ/xdvFxsdy2.0(2)粘度对成形件质量的影响•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：•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: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粘度η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。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，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，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比（流体力学的斯托克斯公式）。粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响:在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向:由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对层流的影响就会直接影响到铸件的质量。二、液态金属的表面张力1.表面张力的实质2.影响表面张力的因素3.表面张力在材料成形生产技术中的意义1.表面张力的实质（1）表面张力及其产生的原因液体或固体同空气或真空接触的面叫表面。表面具有特殊性质，由此产生的现象——表面现象。如荷叶上的水珠呈球状，雨水总是以滴状的形式从天空落下。•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。•表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，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）表面张力的意义取一小块表面薄膜（见右图），宽度为b，薄膜受到一绷紧力F，则有F=σ·b得到：式中σ-表面张力系数，简称表面张力（N/m）表面张力的一个意义是：液膜的单位长度上所受的绷紧力。lESlblFwSl在力F作用下，表面液膜拉长，则F所作的功为：(——液膜拉长后增加的面积）作的这项功成为液膜上的能量，有：SWE(不考虑摩擦力）即SE2/mJ于是得到表面张力的另一个意义是：表面张力可以看作是液膜上单位面积的能量。（3）表面张力与润湿角润湿θ角是衡量界面张力的标志界面张力达到平衡时，存在下列关系：cosSGLSLGcosSGLSLG式中，σSG为固—气界面张力；σLS为液—固界面张力；σLG为液—气界面张力θ90°，此时液体能够润湿固体；θ=0°称绝对润湿；θ90°，此时液体不能润湿固体；θ=180°称绝对不润湿。润湿角是可以测定的。例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。通过测定润湿角可比较不同液态金属表面张力的大小。2.影响表面张力的因素（1）熔点（2）温度（3）溶质元素（1）熔点界面张力的实质是质点间的作用力，故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。材料成形过程中常用的几种金属的表面张力与熔点的关系如下表所示:（2）温度大多数金属和合金，如Al、Mg、Zn等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加，其原因尚不清楚。（3）溶质元素溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类：一类是使表面张力降低的溶质元素，即，（C—为溶质浓度），这类溶质对该金属而言，称为液态金属的表面活性元素，而且具有正吸附作用，即溶质表面的浓度大于内部的浓度。另一类是使液态金属表面张力增加的溶质，即，对该金属而言，称为液态金属的表面非活性元素，具有负吸附作用，即溶质在表面的浓度小于在内部的浓度。0dCd0dCd表面活性元素与表面非活性元素是指某种元素对某种金属而言。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，“活性”之义为表面浓度大于内部浓度，如钢液和铸铁液中的S即为表面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫表面非活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。下图为各种溶质元素对Al、Mg和铸铁液表面张力的影响图2-6图2-7图2-8表面活性元素的应用：在合金中加入少量（或微量）的表面活性元素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表张力，从而阻碍该相的生长，达到细化该相的目的，从而提高合金的机械性能。例：在Al-Si（Si＞5%）合金中，加入表面活性元素Na、稀土、Sr等，使这些表面活性元素吸附在共晶硅的周围，阻止该相的生长，使片状共晶硅长成杆状或粒状，细化了合金的组织提高了合金