第一章液态金属的结构与性质.ppt
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1、第一章 液态金属的结构与性质,第一节 引言 第二节 液态金属的结构 第三节 液态金属的性质 第四节 液态金属充型,第一节 引言,液体的表观特征 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 液体最显著的性质:具有流动性, 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,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),第一节 固体金属
2、的加热熔化 金属和合金材料的加工制备过程? 配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数; 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属; 凝固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。 液相成型,1.金属中的原子结合,R,F 0 R R0 ,F0(引力) 靠拢 R R0 ,F0(斥力) 分开 R R0 ,F0 平衡,图1-1,膨胀原因?,热运动,2.金属的加热膨胀,(图1-2、1-3),升温,热振动加剧,E转化为势能达新的平衡,R1、R2、R3 (R0),平衡距离增加(膨胀),能量起伏,升温,起伏加剧,部分原子越过势垒,形成空
3、穴,空穴移动、增多,膨胀,原子间距增大和空穴的产生,熔点附近,晶界粘性流动,接近熔点,继续吸热 (熔化潜热),晶粒瓦解,形成此起彼伏的原子集团,游离原子和空穴,约3% 5%,3.金属的熔化,从晶界开始,晶粒相对滑动,晶粒失去原有形状 晶粒瓦解,体积突然膨胀,温度不变,内能增加,第二节 液态金属的结构,1.液体与固体、气体结构比较及衍射特征 2.热物理性质 3.液态金属结构的理论模型 4.实际金属的液态结构,返回目录,固态金属 按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体 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。 单晶体:在晶体中所有原子排列位向相同者 多晶体:大多数金属通常是由位向不同
4、的小单晶(晶粒)组成,属于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶格结点上,其振动频率约为1013 次/s。,1.液体与固体、气体结构比较及衍射特征,液态金属? 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 但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 液相结构?,固体可以是非晶体也可以是晶体, 而液态金属则几乎总是非晶体 。 液态金属在结构上更象固态而不是汽态,原子之间仍然具有很高的结合能。,径向分布函数表示在r+dr之间的球壳中原子数的多少,理想液体的原子平均密度分布曲线。,固态铝中原子分布的规律,原子位置固定,在平衡位置做热运动,故球壳上原子数显示出是某一固定的数值,呈
5、现一条条的直线,X射线衍射分析,返回目录,图1-1 700液态铝中原子密度分布线,体积只膨胀35, 即原子间距平均只增大11.5 ,见表1-1 熔化潜热(Hm)只占气化潜热( Hb )的37 见表1-2 这就可以认为金属由固态变成液态时,原子结合键只破坏一个很小的百分数,只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加,表明液态中原子热运动的混乱程度,与固态相比有所增大。 比热容,与固态相比虽然稍大一些,但具有相同的数量级。,2.热物理性质(表1-1、1-2),返回目录,表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热,表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热,3.实际金属的液态结构 液态金属内存在近程有序的原子集
6、团。所以,液态金属结构具有如下特点:,l)液态金属是由游动的原子团构成。,2)能量起伏。,3)结构起伏。,4)浓度起伏(或成分起伏)。,金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶; 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。,金属由液态转变为固态的凝团过程,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,从这个意义上理解,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)的转变均属于结晶过程。,返回目录,图1-2 液态金属结构示意图,实际金属的液态结构,返回目录,第三节 液态合金的性质,1. 液态合金的粘度,当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的
7、相对速度时,在界面1cm2面积上产生的摩擦力,单位:Pas。,液态金属是有粘性的流体。,流体在层流流动状态下,流体中的所有液层按平行方向运动。,在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时,会产生摩擦阻力。,粘度系数或粘度,表达式:,1)液态合金的粘度及其影响因素,粘度的物理意义:,作用于液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数,粘度的影响因素,富林克尔表达式:,0:原子在平衡位置的振动周期(对液态金属约为1013 s),kB:Bolzmann常数,U:无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒,:相邻原子平衡位置的平均距离,T:热力学温度,可以看出,影响粘度的因素有:,a
8、.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。,液体的原子之间结合力越大,则内摩擦阻力越大,粘度就越高,粘度的本质:原子间的结合力,b.原子间距. 粘度随原子间距增大而减小。,c.温度T.,由上式可以得知,函数eU/KT随温度升高而降低。而20KT /3项则与温度呈直线关系。 因此,当温度不太高时,指数项eU/KT随温度增高而急剧变化,因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时,指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高,粘度值呈直线增加(正比)。(显然,这种情况已是接近气态了。),总的趋势:随温度T的升高而下降,d.合金元素和夹杂物,表面活性元素使液体粘度降低,非表面活性元素使粘度提高,2)粘度在
9、材料成形中的意义,返回目录,运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流动。如浇铸系统的计算,动力粘度除以密度,运动粘度:,动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如夹杂的上浮和凝固补缩,对液态金属净化的影响(即除去夹杂和气泡),2)粘度在材料成形中的意义 对液态金属净化的影响(即除去夹杂和气泡),夹杂和气泡上浮的动力,即二者重量之差,在最初很短的时间内以加速度进行运动,往后便开始匀速运动,根据stocks原理,半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Pc为:,r为球形杂质半径,v为运动速度,杂质匀速运动时,PcP,故,可见,夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比,2)粘度在材料成形中的意义 对液态
10、金属净化的影响,返回目录, 对液态合金流动阻力的影响,层流?紊流?雷诺数!ReD v/,(2300层流,2300紊流),所以,层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一般为紊流,但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中,则呈现为紊流。总之,液态合金的粘度大其流动阻力大。,f为流体流动时的阻力系数,2)粘度在材料成形中的意义 对液态金属净化的影响 对液态合金流动阻力的影响,返回目录,2)粘度在材料成形中的意义 对液态金属净化的影响 对液态合金流动阻力的影响 对焊缝金属合金化的影响 对凝固过程中液态合金对流的影响,返回目录,表面张力是气/液界面现象,它的大小与液相和气相的性质有关,三、液态合金的
11、性质,2. 液态合金的表面张力,A、表面张力的实质及影响因素,表面张力: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。,产生张力的表面层厚度不超过10-7cm,相当于几个原子(分子)液层厚度。,表面 液体或固体同空气或真空接触的面,表面现象?,露珠,产生原因?,原子或分子处于力的平衡状态,受力不均,指向内部的合力,这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高,所以物体倾向于减小表面积,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能。如图所示,设表面S在绷紧力F的作用下,拉长了dx距离,进一步可得,表面能:产生新的单位面积表面时系统自由能的
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