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第一篇材料成形过程中的凝固与冶金原理液态金属的结构与性能凝固温度场金属凝固热力学与动力学单相及多相合金的结晶铸件与焊缝宏观组织及其控制特殊条件下的凝固与成形液态金属与气相的相互作用液态金属与熔渣的相互作用液态金属的净化与精炼焊接热影响区的组织与性能凝固缺陷及控制粉末冶金原理材料成形基本原理一、液体的分类按液体的构成类型，可分为：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）材料成形基本原理二、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）。材料成形基本原理液体性质物理性质：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、膨胀和压缩系数及其它材料成形基本原理三、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–热力学性质及在液相中的扩散速度铸造合金及焊接熔池的精炼材料成形基本原理一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征–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材料成形基本原理–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一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征材料成形基本原理第二节液态金属的结构偶分布函数（ThePairdistributionfunction）距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r=0）距离为r位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。0()()rgr偶分布函数材料成形基本原理气体液体晶体一液体与固体、气体结构比较及衍射特征材料成形基本原理平均原子间距r1：对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。r=r1表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。材料成形基本原理径向分布函数—RDF：(radicaldistributionfunction）RDF=4πr2ρog(r)表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。材料成形基本原理配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数。配位数N1的求法：RDF第一峰之下的积分面积；N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数，因为它们描绘了液体的原子排布情况。drrrgNmrr21)(400材料成形基本原理实际测量和模拟的偶分布函数曲线耿浩然等：物理学报2006,55(3):1320-1325材料成形基本原理黄维，梁工英Cu熔化及凝固过程的分子动力学模拟随着温度的升高，偶分布函数第一峰高度不断变低，宽度不断变宽，这表明每个原子的第一近邻原子数目不断减少。这些都说明，随着温度的升高，体系的短程有序度不断下降。材料成形基本原理二由物质熔化过程认识液态金属结构•熔化过程体积变化•熔化潜热和气化潜热材料成形基本原理二由物质熔化过程认识液态金属结构•熔化过程体积变化材料成形基本原理二由物质熔化过程认识液态金属结构•熔化潜热和气化潜热材料成形基本原理、金属熔化后内部原子之间的距离改变不大b、金属熔化后结合键破坏程度及配位数的改变较小。c、金属熔化后原子排列规则程度显著降低。二由物质熔化过程认识液态金属结构材料成形基本原理二由物质熔化过程认识液态金属结构金属熔化潜热比其气化潜热小的多，表明熔化时起内部原子结合键只有部分被破坏。金属的熔化并不是原子间结合键全部被破坏，液体金属内原子的局部分布任具有一定的规律性，和气体截然不同。材料熔化时体积变化、熵变（及焓变）一般均不大，表明液态的原子间距接近于固体。材料成形基本原理三液态金属结构的理论模型（一）无规密堆硬球模型（二）液态金属结构的晶体缺陷模型（三）液体结构及粒子间相互作用的理论描述（四）液体结构再认识和新进展材料成形基本原理三液态金属结构的理论模型晶体缺陷综合模型1液态金属主要由大量的具有能量起伏的短程有序的原子团簇所组成，在这些团簇周围分布着高位错密度和空穴密度的区域以及散乱无序的原子。2对于一定宏观状态的液体，这些团簇的统计平均尺寸和分布是一定的，然而其中的各个团簇或原子的状态处于不断的变化之中，这现象就是结构起伏。这些原子团簇的平均尺寸随液体宏观状态（如温度）的改变而改变。3在熔融状态的合金中,在某一微区某一瞬时内浓度呈现不同于平均浓度的周期性变化的现象称作浓度起伏。材料成形基本原理液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈规则排列，结构与原固体相似，存在大量的能量起伏，热运动激烈。液态金属特点：1.有固定的体积。2.有很好的流动性。3.各种物理化学性质接近于固态，而远离气态。三液态金属结构的理论模型材料成形基本原理四实际金属的液态结构杂质第二组元三种起伏材料成形基本原理℃1700℃1550℃1400℃材料成形基本原理粘度表面张力充型性第三节液态合金的性质材料成形基本原理第三节液态合金的性质一、液态合金的粘度/viscosity液态金属的粘度对铸型的充填、液态金属中的气体、非金属夹杂物的排除、金属的收缩、一次结晶的形态、偏析的形成等，都有直接或间接的作用。因此，液态金属的粘度对铸件的质量具有重要影响。材料成形基本原理一、液态合金的粘度/viscosity（一）液态合金的粘度及其影响因素粘度系数---是根据牛顿（SirIsaccNewton）提出的数学关系式来定义的：粘度η反映了液体内摩擦的大小。材料成形基本原理液体粘度的部分性质液体粘度的牛顿定律----即液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力τ成正比。牛顿液体、非牛顿液体。在通常条件下，所有的液态金属均被视为牛顿液体。粘度就是作用于液体的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。要产生相同的dVX/dy，液体内摩擦阻力越大，即η越大，所需外加剪切应力也越大。液体粘度量纲为[M/(LT)]，常用单位为Pa·s或mPa·s材料成形基本原理液体粘度的影响因素弗伦克尔理论：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;δ-----液体各原子层之间的间距;032expBBkTUkT材料成形基本原理）粘度η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2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比3）η与温度T的关系：材料成形基本原理）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：液态金属中呈固态的非金属夹杂使液态金属的粘度增加;表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质存在使粘度提高。材料成形基本原理－9液体的粘度与温度的关系a）液态镍b）液态钴材料成形基本原理（二）粘度在材料成形中的意义1.对液体金属流态的影响2.对材料成型质量的影响材料成形基本原理对液体金属流态的影响运动学粘度为动力学粘度除以密度即ν=η/ρ运动学粘度ν适用于较大外力作用下的水力学流动；液态金属的流态确定于他的雷诺数。雷诺数/Reynoldsnumber材料成形基本原理雷诺数/Reynoldsnumber流体流动时的惯性力和粘性力(内摩擦力)之比称为雷诺数。雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力之比。雷诺数越小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影响越显著。雷诺数很小的流动，其粘性影响遍及全流场。材料成形基本原理层流和紊流层流（LaminarFlow）亦称片流，是指在流速较小时，液体质点作有条不紊的有序的直线运动，水流各层或各微小流束上的质点彼此互不掺混的流动。例：毛细血管中血液流动,流速很小的细直管道流动等等。材料成形基本原理层流和紊流紊流（TurbulentFlow）亦称湍流，是指随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺，液体质点运动轨迹极不规则的流动。例：输油管道，天然河道，大气环流、洋流、动脉中血液的流动等等。实际测得：金属液在浇注系统中或在试样中的流速，除停止流动前的阶段都大于临界速度，是紊流运动材料成形基本原理流动阻力系数f为流动阻力系数：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。由此可知，在层流情况下的液体流动要比紊流时消耗的能量大。材料成形基本原理粘度对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：对焊缝的质量的影响。材料成形基本原理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。材料成形基本原理影响热裂、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，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。材料成形基本原理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