材料成型原理-1.2 液态金属的性质
材料成形理论基础ppt文档
衍射结构为一条条带
第一个峰与固态极为相近
液态金属中原子的排列几个 原子间距的范围内与固态的排 列方式基本一致
700oC时液态Al中原子分布曲线
稍高于熔点时液态碱金属的径向分布函数
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
液态金属结构的理论模型
（一）无规密堆硬球模型（Random Close Packing)
W-因原子不规则而产生的势能
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔点附近
➢晶粒之间的结合极大破坏 ➢晶粒之间更容易产生相对运动 ➢晶粒内部频繁跳跃、转移 ➢晶粒逐渐失去固定的形状和尺寸
具有流动的液体
提供能量进一步破坏 晶粒转变为小的原子集团
金属熔化过程及金属的液态结构研究方法
固态向液态转变时能 量的变化
活化原子
原子能量的统计分部
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
2.1.2 液态金属的熔化
金属的熔化
热震动加剧, 振幅增大，原子间平均距离增大，尺寸膨胀 能量达到及大于Q的活化原子增多，空位数增加、晶界产生移动
熔化时不要求所有或 绝大部分原子能量都 达到或大于Q值
熔化从晶界开始
熔化从晶界开始 ➢ 晶界上原子的排列方式不规则 ➢ 原子偏离平衡位置 ➢ 原子势能高 E>Q-W
EM
3 kT 2
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
n 能量等于或大于能量Q的原子数 nNeQ/kT
能量等于或大于能量 nQ E 的原子数 Q E
nQEnQeE/k T
液态金属的结构和性质
1.液态成形：是液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求的毛坯或零件的工艺技术。
2.晶界粘滞流动：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动。(金属的熔化变为同温度的液态金属时，金属要吸收大量的热量(金属由固态变为液态，体积膨胀约为3~5%)。
8.粘度在材料成形过程中的影响。
A．对液态金属净化的影响-粘度↑杂质和气泡上升的速度↓
B．对液态合金流动阻力的影响-粘度↑流动阻力↑
C．对液态过程中液态合金对流的影响-粘度↑对流强度↓
9.表面张力：液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力。
10.影响表面张力的因素：
A．熔点。熔点↑原子间结合力↑表面张力↑
B．温度。温度↑表面张力↓（但对铁碳合金、铜合金，温度↑表面张力↑）
C．溶质原子 表面活性元素，使表面张力↓非表面活性元素，使表面张力↑
11.充型能力mold-filling capacity：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(充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果)
12.液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力。
4.在熔点和过热度不大时，液态金属的结构是接近固态金属而远离气态金属的。
5.液态金属：是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡所组成的“混浊”液体。
6.粘度（粘滞性）：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动的性质。
7.粘滞性的本质：原子间结合力的大小。
液态金属性质ppt课件
图1-2 液态金属结构示意图
1.1.2 粘度理论
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。 当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，
在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘 度。 粘度的单位是Pa·s。
►►液相成型
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称为单晶体
多晶体
大多数金属通常是由位向不同的小单晶 （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。
液态金属？
由相关热力学公式可得：
W dF
dA dA
此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系 统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。
图1-1 700℃液 态铝中原子密
度分布线
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线与固态时的 分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接 近，其配位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。
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。
新型材料研究中液态金属的物理化学性质及特性
新型材料研究中液态金属的物理化学性质及特性随着科技的不断发展，新型材料的研究也日益受到人们的关注。
其中，液态金属备受关注，成为新型材料研究的热点之一。
液态金属是一种特殊的材料，具有许多独特的物理化学性质及特性，它有着广泛的应用前景。
本文将从物理化学性质、材料特性、制备方法和应用领域等方面进行探讨。
1. 液态金属的物理化学性质液态金属是一种高密度、高导电、高波速、高表面能和高可压缩性的材料。
其中最重要的特性是其高导电性和高表面张力。
液态金属的导电性远远高于普通液体，它的导电性能大致相当于金属的电导率。
而液态金属的表面张力非常大，因此可以在空中保持球形，也可以被用来制作液态金属电极。
此外，液态金属还具有良好的热传导性能和高反应活性。
在高温下，液态金属可以与氟化物、氧化物等反应产生新的化合物，这为其在电池、传感器、化学反应催化剂等领域的应用提供了基础。
2. 液态金属的材料特性液态金属不同于普通固体金属，它具有较强的形变能力和流动性，可以被塑性变形，并保持其金属性质。
因此，液态金属具有优异的形变加工性能和高可塑性，可以制成各种可曲折的形状。
同时，在液态金属的形变属性中还有一项独特的特性是超塑性。
液态金属可以在低压下得到显著的变形，在材料加工与制造中具有广泛的应用前景。
此外，由于液态金属在成形过程中的表面能力极强，可以大幅减少材料的耗能，提高材料加工效率。
3. 液态金属的制备方法液态金属是通过“快速淬火”原理制备得到的，常见的制备方法包括真空吸铸和高压气相扩散等。
液态金属通常以针状、球状和片状等形态存在，在制备出的初期，需要通过调控温度和成分等方式进行表面氧化处理，以获得其优异的物理特性。
4. 液态金属的应用领域液态金属被广泛应用于电子、机械、建筑、冶金和生物医药等领域。
其中，在电池、储能、电器等领域应用较为广泛。
液态金属还可以用于制作光学薄膜、传感器等。
此外，液态金属还可以应用于材料加工和制造中，如航空航天、汽车制造、船舶制造、食品加工等行业。
材料成型原理
材料成型原理第1章液态金属的结构与性质物相由界面包围的具有一定成分和结构的均匀体组织物相的机械混合物润湿性是指存在两种互不相溶液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性压力差物体两侧所受压力的差值现代晶体学表明，晶体的原子一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，表现出平移对称性特征，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动，相对于晶体这种原子有序排列，气体的分子原子，不停的做无规律运动。
液体表现出长程无序特征，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
偶分布函数的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的概率。
晶态固体因原子以特定方式周期排列，其偶分布函数以相应的规律呈分立的若干尖锐峰，液体的g(r)出现若干衰减的钝化峰，直至几个原子间距后趋于直线g(r)等于1。
由于能量起伏，液体中大量不停游动着的局域有序原子团簇，时聚时散，此起彼伏，而存在结构起伏，实际金属的现象，还要复杂的多，除了能量起伏及结构起伏，还同时存在着浓度起伏。
长程有序：液体的原子相对于周期有序的晶体固态是不规则的，液体结构宏观上不具有平移、对称性。
黏度是液体内摩擦阻力大小的标志，黏度的物理意义可以视为：作用于液体表面的应力与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
表面活性元素使液体黏度降低，非表面活性杂质的存在使黏度提高。
黏度的意义：黏度影响金属液的流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度。
影响钢铁材料的脱硫，脱磷，扩散脱氧。
熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。
影响铸件内部缩孔或缩松、热裂的形成倾向。
影响精炼效果，夹杂、气孔的形成。
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致。
表面是产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，前者指液体或固体与气体之间的交界面。
原子间结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越大，表面张力也就越大。
材料成形工艺原理第二章液态金属的结构和性质
在碰撞时，有的原子将一部分能量传给别 的原子，而本身的能量降低了。
结果是每时每刻都有一些原子的能量超过 原子的平均能量，有些原子的能量则远小于 平均能量。这种能量的不均匀性称为“能量 起伏”。
由于能量起伏，一些原子则可能越过势垒跑到原 子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在 新的位置上作微小振动（图1-3）。一旦有机会获得 能量，又可以跑到新的位置上。
接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表 面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
特征：
将金属加热至熔点时，金属体积突然膨胀3~5%， 等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点前的总 膨胀量。
金属的其它性质如电阻、粘性等发生突变，吸收 大量热能——熔化潜热，而金属的温度不升高。
这些突变现象是不能仅仅用离位原子和空穴数目 的增加加以解释的。因为空穴数目的增加不可能是 突变的。
(5) 如前所述，由于势能曲线是极不对称的，向左振动 时，动能很快就全部转化为势能，原子所能达到的最大 偏离位置较小。
向右振动，则需较大的偏离，动能才全部转化为势 能，振幅的中心位置则由Ro→R1 …。但是，这种膨胀 只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。
(6) 晶体中每个原子的振动能量不是均等的， 振动方向杂乱无章。
或
当R=R0 时，F (R0)=0，即
对应于能量的极小值，状态 稳定。原子之间倾向于保持一定 的间距，这就是在一定条件下， 金属中的原子具有一定排列的原 因。
当R=R1时，吸引力最大，即
对应能量曲线的拐点。 当R＞R1时，吸引力开始减小， 势能向最大值转折。
二、金属的加热膨胀
晶体中原子并不是固定不动的，只要温度高于热力学 温度0K，每个原子皆在平衡位置附近振动，即所谓热振 动。温度升高时振动能量增加，振动频率和振幅加大。
材料成型基本原理完整版
第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。
3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。
4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而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内的近程有序。
拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。
能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。
结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。
第1章液态金属的结构和性质
什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。
1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低
二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于 原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化， 热运动增强。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
第一章液态金属的结构与性质
1.1 液态金属的结构1.2 液态金属的性质
2
第一章液态金属的结构与性质
1.2 液态金属的性质
—着重介绍影响凝固过程的性质
3
液态金属的结构与性质
A. 熔点和结晶区间
纯金属和共晶合金在一定温度下熔化和凝固。
间进行的，该温度区间为结晶区间。
1.2.1 基本物理性质（1）C 0
金属Fe Cu Al Zn Sn K
熔点,℃
1535108366042023264
4
第一章液态金属的结构与性质
1.2.1 基本物理性质（2）B. 热膨胀和凝固收缩
一般地，密度ρ<ρ这是产生缩孔和缩松缺陷的直接原因。
5
第一章液态金属的结构与性质
C.扩散能力
在液体中约为固体中在液体中约为固体中10
102∼105倍过程溶质再分配时，各元素在固体中的扩散常被忽略。
D=6×10cm /s ；
cm /s ；
1.2.1 基本物理性质（3）
6
第一章液态金属的结构与性质
1.2.1 基本物理性质（4）D.导电及导热能力
液态金属电阻加大，因原子热振动振幅增大，结构无序性加大低。
7
液态金属的结构与性质
A. 粘滞性(viscosity ）:流体的粘滞性是流体抵从微观的角度看，其本质是反映质点间作用力大小。
擦。
度量：粘度η
F
h
A u
1.2.2 粘滞性(viscosity)
8
第一章液态金属的结构与性质
所以，根据牛顿粘性定律，
dz
du ησ=dz
du
A
F η=dz
du A F =
η动力粘度物理意义：生单位速度梯度的力。
运动粘度：
ρ
ην=x
F
u
9
第一章
液态金属的结构与性质
液态金属η数量级：10-3N ·s/m 2
因为ρ大，所以与水比较，ν反而小。
H 2O AL Cu Fe 温度 ℃ 20 700800 1145 1600 动力粘度η
N.s/m 2*10-3
1 3.0 1.4 3.41 6.
2 运动粘度ν m 2/s*10-6 1 1.3
0.6
0.43 0.79 密度ρ g/cm 3
1
2.35
(700-900℃)7.93
(1080℃)7.87
(20℃)
液体金属的粘度值
10
第一章
液态金属的结构与性质
C.
粘度的影响因素
温度
流动性好。
化学成分
杂质
固态杂质使液态金属η↑。
因为固态杂质增加流体内摩擦。
钢中的MnS 、Al 2O 3、SiO 2。
11
液态金属的结构与性质D. 粘度对凝固过程的影响
液态中杂质沉浮速度
——斯托克斯方程Stokes Equation 公式推导为杂质的浮力与重力之差：
)(3
4)(3r V F γγπγγ−⋅=−=
12第一章液态金属的结构与性质r ≤0.1mm η
πrV f 6=当f
F =η
γγ)(922s L r V −=V 为+，上浮；V 为-，下沉。
r ≤0.1mm
——Stokes Equation
13
第一章液态金属的结构与性质例1 钢液中的MnO 的去除
质，其上浮速度？
ηγγ)(9
22
s L r V −=0049.081.9)54007000()0001.0(922⋅−⋅=V )
/1.7(/0071.0s mm s m V =
14第一章液态金属的结构与性质例2 铝液中Al 2O 3
形Al 2O 3，其下沉速度？
ηγγ)(922
s L r V −=00106
.081.9)24004000()10(922
6⋅−⋅=−V )
/0033.0(/100033.03s mm s m V −×=
15第一章液态金属的结构与性质1.2
节内容回顾
在L 中远大于S
中。
粘滞性Stokes Equation。