液态金属的结构与性质课件.ppt
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- 液态 金属 结构 性质 课件
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1、1.1 液态金属的结构液态金属的结构 1.2 液态合金的性质液态合金的性质1.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力第一章第一章 液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质整理课件11.1 液态金属的结构一一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征二二、由物质熔化过程认识液体结构由物质熔化过程认识液体结构三三、液态金属结构的理论模型液态金属结构的理论模型 四四、实际金属的液态结构实际金属的液态结构 整理课件2气态结构 液态结构 固态结构一、气体、液体、固体的衍射特征一、气体、液体、固体的衍射特征气体、液体、固体的结构特点气体、液体、固体的结构特点固态结构:平移、对
2、称性特征(长程有序)平移、对称性特征(长程有序)气态结构:完全无序为特征完全无序为特征液体:液体:长程无序长程无序(不具备平移、对称性不具备平移、对称性)近程有序近程有序(“游荡游荡”着的局域有序的原子集团,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液体结构表现出局域范围的有序性)整理课件3液态金属的衍射结构参数液态金属的衍射结构参数 偶分布函数偶分布函数 g(r)平均原子间距平均原子间距 r1 径向分布函数径向分布函数 配位数配位数 N1一、气体、液体、固体的衍射特征一、气体、液体、固体的衍射特征整理课件4 偶分布函数偶分布函数 g(r)g(r)物理意义:距某一参考粒子物理意义:
3、距某一参考粒子r r处找到另一个粒子处找到另一个粒子的几率,换言之,表示离开参考原子(处于坐标原的几率,换言之,表示离开参考原子(处于坐标原点点r=0r=0)距离为)距离为 r r 位置的原子数密度位置的原子数密度 (r)(r)对于平均对于平均数密度数密度 o o(=N/V=N/V)的相对偏差)的相对偏差 (r)(r)=o o g g(r)(r)气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征整理课件5气体液体晶体整理课件6 平均原子间距平均原子间距 r1r1:对液体(或非晶固体),对应于对液体(或非晶固体),对应于g(r)g(r)第一峰第一峰的位置
4、的位置 r=rr=r1 1 表示参考原子至其周围第一配位层各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原子的平均原子间距整理课件7 径向分布函数径向分布函数 RDF RDF:(radical distribution function)RDF =4r 2o g(r)表示在表示在 r 和和 r+dr 之间的球壳中原子数的多少。之间的球壳中原子数的多少。稍高于熔点时液态碱金属(稍高于熔点时液态碱金属(Li、Na、K、Rb、Cs)的径向分布函数)的径向分布函数(RDF)整理课件8RDF 第一峰之下的积分第一峰之下的积分面积即所谓配位数面积即所谓配位数 N1 RDF=4r2og(r),atom
5、s/r,(整理课件9求法:求法:RDFRDF第一峰之下的积分面积第一峰之下的积分面积;意义:意义:N N1 1 与与 r r1 1 均描绘了液体的原子排布情况均描绘了液体的原子排布情况drrrgNmrr21)(400配位数配位数N1:参考原子周围最近邻(即第一壳层)的原子数参考原子周围最近邻(即第一壳层)的原子数整理课件10CrystalMatter StructureTypeTm(K)Vm /Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.1
6、6Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47表表1-1 金属熔化时典型的体积变化金属熔化时典型的体积变化Vm/VS表表明明液液体体原原子子间间距距接接近近于于固固体体二、由物质熔化过程认识液体结构二、由物质熔化过程认识液体结构整理课件11(Hb/ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb/HmAl6602.50248069.6
7、27.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表表1-2 几种晶体物质的熔化潜热(几种晶体物质的熔化潜热(Hm)和气化潜热)和气化潜热(Hb)表明熔化时只有部分原子键被破坏表明熔化时只有部分原子键被破坏整理课件12三、三、液态金属结构的理论模型(自学部分)液态金属结构的理论模型(自学部分)(一)(一)无规密堆硬球模型无规密堆硬球模型 (二)(二)液态金属结构的晶体缺陷模型液态金属结
8、构的晶体缺陷模型(三)(三)液体结构及粒子间相互作用的理论描述液体结构及粒子间相互作用的理论描述整理课件13(一)无规密堆结构中五种多面体间隙(一)无规密堆结构中五种多面体间隙三角棱柱多面体三角棱柱多面体阿基米德反棱柱多面体阿基米德反棱柱多面体四方十二面体四方十二面体四面体四面体八面体八面体整理课件14 微晶模型:微晶模型:液态金属有很多微小晶体和面缺陷组液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成,在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点成,在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵,这些微晶体之间以界面相连接阵,这些微晶体之间以界面相连接(二)、液体的缺陷模型(二)、液体的缺陷模型整理课件15空穴模
9、型:空穴模型:金属晶体熔化时,在晶体网格中形成大金属晶体熔化时,在晶体网格中形成大量的空位,从而使液态金属的微观结构失去了长程有量的空位,从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变,从序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变,从而具有流动性。随着液态金属温度的提高,空位的数而具有流动性。随着液态金属温度的提高,空位的数量也不断增加,表现为液态金属的粘度减小量也不断增加,表现为液态金属的粘度减小位错模型:位错模型:液态金属可以看成是一种被位错芯严重破液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上,在低温条件下不坏的点阵结构。在特定的温度以
10、上,在低温条件下不含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。变成液体。整理课件16“能量起伏能量起伏”原子间能量不均匀性原子间能量不均匀性“结构起伏结构起伏”液体中大量不停液体中大量不停“游动游动”着的着的局域有序原子团簇局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏时聚时散、此起彼伏 “浓度起伏浓度起伏”同种元素及不同元素之间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现为游
11、动原子团簇之间存在着成分差异 。四、四、液态金属的结构特征液态金属的结构特征整理课件17概述概述1.2 液态金属的性质液态金属的性质当液态金属在外力作用下流动时,由于分子间存当液态金属在外力作用下流动时,由于分子间存在内聚力,因此使液体内部产生内摩擦力,以阻在内聚力,因此使液体内部产生内摩擦力,以阻碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为粘滞粘滞性,用黏度表征性,用黏度表征液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流动性等有重要影响,因此动性等有重要影响,因此黏度关系到铸件的成形质量黏度关系到铸件的成形质量整理
12、课件18.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一、液态金属的粘度一、液态金属的粘度 1.1.定义定义 粘度系数粘度系数2.2.物理意义:物理意义:反映液体内摩擦的大小反映液体内摩擦的大小整理课件19 运动粘度为动力粘度除以密度,即:运动粘度为动力粘度除以密度,即:运动粘度运动粘度 适用于较大外力作用下的水力学流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动,此时由于外力的作用,液体密度对流动的影响可以忽略。可以忽略。动力粘度动力粘度 在外力作用非常小的情况下适用,在外力作用非常小的情况下适用,如夹杂的
13、上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力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粘度系数 有关。有关。/整理课件20粘度数学模型粘度数学模型TkUkTBexp203K b Bolzmann常数;常数;U 无外力作用时原子之间的结合能无外力作用时原子之间的结合能0 原子在平衡位置的振动周期(对原子在平衡位置的振动周期(对 液态金属约为液态金属约为10-13秒)秒)液体各原子层之间的间距液体各原子层之间的间距2.2.粘度的影响因素粘度的影响因素粘度粘度随原子间结合能随原子间结合能U按指数关系增加按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,液体的原子之间结合力越大,则内摩擦阻力
14、越大,粘度也就越高;粘度也就越高;粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低(成反比)增大而降低(成反比)实际金属液的原子间距实际金属液的原子间距也非定值,温度升高,也非定值,温度升高,原子热振动加剧,原子间距增大,原子热振动加剧,原子间距增大,随之下降;随之下降;黏度黏度本质:本质:原子原子间结间结合力合力整理课件21与温度与温度T T的关系受两方面,总的趋势随温度的关系受两方面,总的趋势随温度 T T而下降(见而下降(见图图1-91-9)合金组元(或微量元素)对合金液粘度的合金组元(或微量元素)对合金液粘度的影响影响TkUkTBexp203非金属夹杂物的数量、状态和分布情况对合金液非金属夹杂物
15、的数量、状态和分布情况对合金液粘度的粘度的影响影响整理课件22 温度对粘度的影响温度对粘度的影响图图1 19 9 液体的粘度与温度的关系液体的粘度与温度的关系 a a)液态镍)液态镍 b b)液态钴)液态钴 整理课件23 M-H(Moelwyn-Hughes)模型:1 1纯溶剂的粘度;纯溶剂的粘度;2 2溶质的粘度;溶质的粘度;X X1 1、X X2 2 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molemole分数,分数,R R为气体常数,为气体常数,H Hm m 为两组元的混合热。为两组元的混合热。RTHXXm21)(2211合金组元(或微量元素)对合金液粘度的影响合金组
16、元(或微量元素)对合金液粘度的影响整理课件24合金组元(或微量元素)对合金液粘度的影响合金组元(或微量元素)对合金液粘度的影响若混合热若混合热HmHm为负值,合金元素的增加会使合金液的粘度上升为负值,合金元素的增加会使合金液的粘度上升(Hm Hm为负值表明反应为放热反应,异类原子间结合力大于同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,因此摩擦阻力及粘度随之提高)类原子,因此摩擦阻力及粘度随之提高)表面活性元素使液体粘度降低,非表面活性杂质的存在使粘度表面活性元素使液体粘度降低,非表面活性杂质的存在使粘度提高提高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若溶质与溶剂在固
17、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较强的化学结合键RTHXXm21)(2211整理课件25非金属夹杂物对合金液粘度的影响非金属夹杂物对合金液粘度的影响非金属夹杂物的数量、状态和分布情况在不同非金属夹杂物的数量、状态和分布情况在不同程度上影响合金液的粘度。程度上影响合金液的粘度。液态合金中呈固态液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的黏度增加的非金属夹杂物使液态金属的黏度增加,如钢,如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅等。主要是因为中的硫化锰、氧化铝、氧化硅等。主要是因为夹
18、杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系,液相流动时内摩擦力增加,夹杂物越多,系,液相流动时内摩擦力增加,夹杂物越多,对黏度影响越大。但是,对黏度影响越大。但是,有些熔点低的杂质在有些熔点低的杂质在液态金属中呈熔融状态,反而会使该液态金属液态金属中呈熔融状态,反而会使该液态金属的黏度降低。的黏度降低。整理课件263.3.黏度在材料成形中的作用和意义黏度在材料成形中的作用和意义:黏度对液态金属充型速度的影响黏度对液态金属充型速度的影响流体的流动状态由雷诺数流体的流动状态由雷诺数ReRe来决定,来决定,当当Re2320Re2320时,流体以紊流方式流动时,流
19、体以紊流方式流动。整理课件27实际应用:实际应用:一般,液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊一般,液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流,只在腔的细薄部位,或在充型后期,流速流,只在腔的细薄部位,或在充型后期,流速下降,才出现层流。下降,才出现层流。紊流的流动阻力要比层流阻力小,有利于充型紊流的流动阻力要比层流阻力小,有利于充型黏度对流动阻力的影响黏度对流动阻力的影响整理课件28对液态金属对流的影响对液态金属对流的影响产生对流的条件:温差和浓度差温差和浓度差浮力浮力黏滞力黏滞力对流强度:格拉晓夫数rL LrL C动力黏度越动力黏度越大,则对流大,则对流强度越小强度越小液体对流对结晶组织、溶质分布、
20、偏析和杂质的液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有重要影响。聚合沉浮有重要影响。、分别为由温差和浓度差引起的金属液体积膨胀,L水平方向上热端到冷端距离的一半宽度。整理课件29对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响斯托克斯公式:g(液液-杂杂)r r/99仅当仅当杂杂液液,夹杂才能上浮,夹杂才能上浮,越大,夹杂越大,夹杂及气泡越难以排除及气泡越难以排除整理课件30粘度对成形质量的影响粘度对成形质量的影响 影响铸件轮廓的清晰程度;影响铸件轮廓的清晰程度;影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向;影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向;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:对
21、焊缝的质量的影响。对焊缝的质量的影响。整理课件31粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响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,径较小,雷诺数值小,流动性质属于层流,粘度影响铸件轮廓的清晰程度粘度影响铸件轮廓的清晰程度消除方法:消除方法:应适当提高过热度或者加入表面活应适当提高过热度或者加入表面活性物质,降低液体的粘度性物质,降低液体的粘度整理课件32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 由于凝固收缩形成由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流压力差而造成的自然对流均属于层流性质,此
22、时粘均属于层流性质,此时粘度对流动的影响就会直接度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。影响到铸件的质量。整理课件33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液中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和气体,无论是铸件型腔中还是焊接熔池的非金属夹杂物和气体,无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液,残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固中的金属液,残留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,破坏金属的连续性前排除出去,否则易形成夹杂或气孔,破坏金属的连续性整理课件34粘度大会抑制
23、金属液在型腔内的对流,间接效果:降低晶粒粘度大会抑制金属液在型腔内的对流,间接效果:降低晶粒细化效果;减轻区域偏析细化效果;减轻区域偏析 StokesStokes 公式的应用公式的应用n 由上式可见由上式可见,液体的粘度愈大液体的粘度愈大,杂质半径愈小杂质半径愈小,液体与杂质的液体与杂质的密度差愈小密度差愈小,杂质沉浮速度愈慢杂质沉浮速度愈慢,留在铸件中的可能行就大留在铸件中的可能行就大n防止措施:适当提高金属液的过热度,以降低粘度,加快防止措施:适当提高金属液的过热度,以降低粘度,加快夹杂物和气泡的上浮速度夹杂物和气泡的上浮速度整理课件35二、液态合金的表面张力二、液态合金的表面张力 在铸造
24、合金熔化、浇注、凝固与成形过程中在铸造合金熔化、浇注、凝固与成形过程中,存在许多界面问题,如精炼剂、孕育剂和变质,存在许多界面问题,如精炼剂、孕育剂和变质剂与合金熔体之间,合金固体与液体之间等。剂与合金熔体之间,合金固体与液体之间等。表面表面液体或固体同气体间的界面液体或固体同气体间的界面整理课件36 表面张力是表面上平行于表面切线方向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。且各方向大小相等的张力。1 1 表面张力的实质及产生的原因表面张力的实质及产生的原因 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。均所造成。由于液体或固体的表面原
25、子受内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。表面积而产生表面张力。张力在大体积系统中显示不出它的作用,但在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微小体积系统会显示很大的作用整理课件372 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表面自由能(表面能):系统为产生新的单位面表面自由能(表面能):系统为产生新的单位面
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