第2章 液态金属的结构与性质

第二章液态金属的结构与性质1/36材料成型原理材料成型与控制专业第二章液态金属的结构与性质第二章液态金属的结构与性质2/36液态金属：具有良好导电性和导热性，并在宏观上呈无规则排列的原子集团，叫液态金属。为什么研究液态金属的结构与性质？因为对铸件有以下影响：（1）结晶过程；（2）晶粒组织；（3）缺陷：偏析、气体、非金属夹杂物。第二章液态金属的结构与性质3/362.1液态金属的结构第二章液态金属的结构与性质4/36一、液态结构与固态结构间的异同1、从液态金属的热物理性质看，液态结构更象固态结构。第二章液态金属的结构与性质5/36（1）金属的汽化潜热远大于熔化潜热：气态金属——原子间结合键几乎全部破坏。液态金属——原子间结合键仅部分被破坏。铝：汽化潜热/熔化潜热=27。铁：汽化潜热/熔化潜热=22。说明，固态金属完全变为气态比完全熔化所需能量大得多。液态金属结构类似于固态金属。第二章液态金属的结构与性质6/36（2）熵的增值来看：由固态变液态，熵的增值相对于熔点前的熵值并不算大。（熵代表系统结构紊乱性变化）。这说明在熔点附近：液固结构相差不大。第二章液态金属的结构与性质7/362、液体的机械特性——象气体；但体积特性、热特性——象固体——局部原子排列与固体无异——近程有序。第二章液态金属的结构与性质8/363、X射线衍射实验表明，在熔点附近液体与固体衍射得到的结构参数比较，很多方面极为相似，但与气体比，有很大不同。第二章液态金属的结构与性质9/364、固液在外力下，外观的变化液体：外力——改变形状——流动（如重力下—水由高处流向低处）；固体：剪应力——弹性变形；外力去除—变形消失。即：固体不能流动。第二章液态金属的结构与性质10/365、其它方面（1）熔化时，体积膨胀3%；（2）扩散系数：液——溶质扩散系数约10-5cm2/sec数量级；固——溶质扩散系数约10-8cm2/sec数量级。差1000倍。第二章液态金属的结构与性质11/36二、理想纯金属的液态结构特点1、原子间保持较强的结合能。2、原子排列小距离内（仅在原子集团内——几十到几百个原子组成的集团）有规律——近程有序排列；3、原子集团处于瞬息万变状态——能量起伏较大——结构起伏；4、原子集团之间存在“空穴”，共有电子运动发生变化：电阻率升高1-2倍）5、原子集团尺寸、速度与温度有关。第二章液态金属的结构与性质12/36三、实际金属的液态结构特点1、存在大量杂质原子（1）杂质是多种多样的，非一种；（2）杂质分布不均匀；浓度起伏：游动原子集团之间存在成分不均匀性；结合力不同：同种元素与不同元素结合力的差异。结合力强的易聚；能量起伏：各原子间能量不同或各原子团尺寸不同。第二章液态金属的结构与性质13/36（3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。以二元合金为例：A、B结合力较强——形成新的化学键——临时不稳定化合物；（低温化合，高温分解）A、B结合力非常强——形成强而稳定的化合物——新相；B-B、B-A结合力小于A-A，则A-A原子聚集——B被排斥在集团外或液体表面——降低表面张力——表面活性元素。第二章液态金属的结构与性质14/362、杂质的来源（1）原材料存在多种杂质；（2）常用金属为多元合金；（3）熔化时，被污染（金属与炉气、熔剂、炉衬反应、吸气，带进杂质）。第二章液态金属的结构与性质15/363、实际金属液态结构——非常复杂。（1）也存在游动原子团、空穴及能量起伏；（2）原子团、空穴中有各种合金元素及杂质元素；（3）存在浓度起伏；（4）存在不稳定或稳定化合物（固、气、液）。第二章液态金属的结构与性质16/362.2液态金属的性质第二章液态金属的结构与性质17/36一、粘度1、概念：液体在层流运动情况下，各液层间有摩擦阻力——粘度。用牛顿粘性定律表达：η为动力粘度，τ为切应力，dv/dx为速度梯度。dxdv第二章液态金属的结构与性质18/362、影响因素粘度大小由液态金属结构决定，与温度、杂质有关。（1）温度第二章液态金属的结构与性质19/36（2）化学成分：1）杂质数量、形状和分布，影响粘度；固态杂质——粘度增大；杂质多——粘度增大。2）同一合金，成分不同——粘度不同。接近共晶成分——粘度降低。第二章液态金属的结构与性质20/363、粘度对材料成型的影响（1）金属液净化（气体、杂质的排出）；第二章液态金属的结构与性质21/36（2）流动阻力与充型；液态合金的粘度大其流动阻力大。（3）凝固过程中的对流。粘度越大，对流强度越小。第二章液态金属的结构与性质22/36二、表面张力1、概念：金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的绷紧力或单位表面积上的能量，称表面张力。第二章液态金属的结构与性质23/362、影响因素（1）熔点（2）温度（3）溶质（杂质）第二章液态金属的结构与性质24/363、表面张力对材料成型的影响对金属晶体形核（形核功）及生长（结晶形态）、机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等有影响。第二章液态金属的结构与性质25/362．3液态金属的流动性及充型能力第二章液态金属的结构与性质26/36一、流动性1、概念：液态金属本身的流动能力。2、影响因素：成分、温度、杂质含量及物理性质。与外界因素无关。3、作用：好的流动性利于缺陷的防止：（1）补缩；（2）防裂；（3）充型；（4）气体与杂质易上浮。第二章液态金属的结构与性质27/36出气口浇口杯4、测定：浇注流动性试样。试样结构、铸型性质、浇注条件相同，改变合金成分，测试样长度。第二章液态金属的结构与性质28/36二、充型能力第二章液态金属的结构与性质29/361、概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。2、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施内因：自身流动性外因：铸型的性质、浇注条件、铸件结构第二章液态金属的结构与性质30/36（1）金属性质1）合金成分纯金属、共晶成分合金和金属间化合物的地方，流动性有最大值。（1）凝固点固定；（2）逐层凝固；（3）凝固层内表面平滑，阻力小；（4）流动时间长。有结晶温度范围的地方流动性下降，在最大温度范围处，流动性最差。（1）凝固温度区间；（2）断面存在两相区；（3）前端枝晶数多，粘度大，流速小。第二章液态金属的结构与性质31/362）结晶潜热纯金属、共晶成分合金：凝固点固定，潜热能发挥，利于流动；结晶温度范围宽的合金：散失部分潜热后晶粒成网，阻塞流动，潜热难发挥。对流动性影响不大。3）比热、密度、导热系数比热、密度大合金：含热量多，保持液态时间长，流动性好。导热系数小合金：散热慢，流动时间长。第二章液态金属的结构与性质32/364）粘度层流：影响大。停流前一刻，通道面积小，粘度大。紊流：影响小。实验证明，除停流前一刻，均为紊流。5）表面张力对薄壁件，件的细薄部分有影响；通常不润湿，阻碍型腔充填。第二章液态金属的结构与性质33/36综上所述，为提高充型能力，在金属方面采取以下措施：1）正确选择合金成分：尽量选共晶或结晶温度范围小的合金；2）合理的熔炼工艺——减粘、减表面张力原材料：去杂质熔炼：少接触有害气体熔化后：脱氧、精炼第二章液态金属的结构与性质34/36（2）铸型性质方面因素1）型的蓄热系数：指铸型从金属吸取并储存在本身中热量的能力。型的蓄热系数大——型激冷能力强——金属保持液态时间短——充型能力下降。生产中可用涂料调整。2）型温度预热型——减小型/金属液温差——充型能力提高。3）型中气体型能发气——金属/型间形成气膜——减小摩擦阻力——易充型。但是：气太多——反压力大，浇不进去：翻腾、飞溅。解决方法：（1）降低含水、发气物含量；（2）提高型透气性。第二章液态金属的结构与性质35/36（3）浇注条件方面因素1）浇注温度温度高——充型能力强。但超过某界限，吸气多、氧化严重，充型能力提高不明显。第二章液态金属的结构与性质36/362）充型压头压力大——充型好生产中，增加金属静压头。但压头也不能过高。缺点：充型速度过大，产生喷射、飞溅（氧化、铁豆）；气体不易排出（浇不足、冷隔）。3）浇注系统的结构复杂——流动阻力大——充型能力下降。第二章液态金属的结构与性质37/36（4）铸件结构方面的因素通常用铸件的“折算厚度”和复杂程度衡量铸件结构特点。1）折算厚度：铸件体积与表面积的比值。折算厚度大，与型接触面积相对小——散热慢——充型能力高。2）复杂程度厚、薄部分过渡面多、型腔结构复杂：流动阻力大——充型难。综上所述，影响因素多，错综复杂。必须抓主要矛盾，采取措施加以解决。第二章液态金属的结构与性质38/36谢谢！