1、第二章第二章液態(tài)金屬的結構與性質液態(tài)金屬的結構與性質2-1 液體的分類及其基本特征液體的分類及其基本特征 一、液體的分類一、液體的分類 原子液體（如液態(tài)金屬、液化惰性氣體） 分子液體（如極性與非極性分子液體） 離子液體（如各種簡單的及復雜的熔鹽）二、二、 液體的表觀特征液體的表觀特征 具有流動性具有流動性 （液體最顯著的性質）（液體最顯著的性質）； 可完全占據容器的空間并取得容器內腔的形狀可完全占據容器的空間并取得容器內腔的形狀 （類似于（類似于氣體，不同于固體）氣體，不同于固體）； 不能夠象固體那樣承受剪切應力，表明液體的原子或分不能夠象固體那樣承受剪切應力，表明液體的原子或分子之間的結合力

2、沒有固體中強子之間的結合力沒有固體中強 （類似于氣體，不同于固（類似于氣體，不同于固體）體）； 具有自由表面具有自由表面 （類似于固體，不同于氣體）（類似于固體，不同于氣體）； 液體可壓縮性很低液體可壓縮性很低 （類似于固體，不同于氣體）（類似于固體，不同于氣體）。三、液體的基本性質三、液體的基本性質 物理性質物理性質：密度、：密度、粘度、粘度、電導率、熱導率和擴散系數等；電導率、熱導率和擴散系數等； 物理化學性質物理化學性質：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、表面張力表面張力等；等； 熱力學性質熱力學性質：蒸汽壓、熱膨脹與凝固收縮及其它：蒸汽壓、熱膨脹

3、與凝固收縮及其它 金屬液體粘度較大，金屬液體粘度較大， 而水幾乎沒有粘度。而水幾乎沒有粘度。2-22-2 液態(tài)金屬的結構液態(tài)金屬的結構一、液體與固體、氣體結構比較二、目前研究液態(tài)金屬結構的方法三、實際金屬的液態(tài)結構 一、液體與固體、氣體結構比較一、液體與固體、氣體結構比較 晶體晶體:平移、對稱性特征（長程有序）平移、對稱性特征（長程有序） 原子以一定方式周期排列在三維空間的晶原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格結點上，同時原子以某種模式在平衡位置上格結點上，同時原子以某種模式在平衡位置上作熱振動作熱振動 氣體氣體: 完全無序為特征完全無序為特征 分子不停地作無規(guī)律運動分子不停地作無規(guī)律運動

4、液體：液體： 長長 程程 無無 序序 不具備平移、對稱性；不具備平移、對稱性； 近近 程程 有有 序序 相對于完全無序的氣體，液體中存在著許相對于完全無序的氣體，液體中存在著許多不停多不停“游蕩游蕩”著的局域有序的原子集團著的局域有序的原子集團，液體結構表現出局域范圍的有序性液體結構表現出局域范圍的有序性二、目前研究液態(tài)金屬結構的方法二、目前研究液態(tài)金屬結構的方法1.間接研究方法：研究金屬熔化、汽化時的物理現象間接研究液態(tài)結構。 體積變化 金屬熔化后，體積一般膨脹4-7%（見表2-1），原子間距增大1.01.5%，而汽化后，體積膨脹為無限大，說明液態(tài)金屬在低溫時接近固態(tài)。 熱量變化 由表2-1

5、可知，金屬的熔化潛熱只占汽化潛熱的很小部分（7.0%），說明其結構接近固態(tài)。 2.直接研究方法： 通過液態(tài)金屬x射線衍射分析來直接研究金屬的液態(tài)結構。 以700液態(tài)鋁的x射線衍射結構分析為例 （見圖2-1）； x射線所得到液態(tài)和固態(tài)金屬結構參數見表2-2。 由圖由圖2-1和表和表2-2分析得出：分析得出： 液態(tài)金屬中，原子間結合力仍很強，平均原子間液態(tài)金屬中，原子間結合力仍很強，平均原子間距增加不大。距增加不大。 液態(tài)金屬結構為液態(tài)金屬結構為“近程有序近程有序”，即由，即由10幾個至幾幾個至幾百個原子形成的集團所組成，在每一個原子集團百個原子形成的集團所組成，在每一個原子集團內原子排列是有序的

6、。內原子排列是有序的。 原子集團的熱運動很強，能量起伏大，原子集團原子集團的熱運動很強，能量起伏大，原子集團是瞬時的，游動的是瞬時的，游動的。 原子集團之間的距離較大，存在原子集團之間的距離較大，存在“空穴空穴”，“空空穴穴”中可能有游離原子、雜質原子，也可能由裂中可能有游離原子、雜質原子，也可能由裂紋或氣泡構成。紋或氣泡構成。“空穴空穴”也是瞬時的，游動的。也是瞬時的，游動的。 原子集團的平均尺寸和游動的速度與溫度有關，原子集團的平均尺寸和游動的速度與溫度有關，溫度越高，其平均溫度越高，其平均 尺寸越小，游動速度越快。尺寸越小，游動速度越快。 圖圖2-2為不同溫度下，液態(tài)金屬結構示意圖。為不

7、同溫度下，液態(tài)金屬結構示意圖。1200 1700 1550 1400 圖2-2 不同溫度下液態(tài)金屬結構示意圖 三、實際液態(tài)金屬的結構三、實際液態(tài)金屬的結構 “能量起伏能量起伏” 各個原子集團的動能不同各個原子集團的動能不同 “結構起伏結構起伏”液體中大量不停液體中大量不?！坝蝿佑蝿印敝木钟蛑木钟蛴行蛟訄F簇存在著結構上的差異。有序原子團簇存在著結構上的差異。 “濃度起伏濃度起伏” 同種元素及不同元素之間的原子間同種元素及不同元素之間的原子間結合力存在差別，結合力較強的原子容易聚集在一起，結合力存在差別，結合力較強的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現為游動原子團簇之間存把別的原于

8、排擠到別處，表現為游動原子團簇之間存在著成分差異在著成分差異 。 小結：小結： 液體金屬的結構是由許多瞬時的、游液體金屬的結構是由許多瞬時的、游動的、近程有序的原子集團和空隙組動的、近程有序的原子集團和空隙組成，原子集團間存在成，原子集團間存在能量起伏、結構起能量起伏、結構起伏和濃度起伏。伏和濃度起伏。2-3 液態(tài)金屬（合金）的性質液態(tài)金屬（合金）的性質液態(tài)合金有各種性質，與材料成形過程液態(tài)合金有各種性質，與材料成形過程關系特別密切的主要有關系特別密切的主要有兩個性質：兩個性質： 一、液態(tài)金屬（合金）的粘度一、液態(tài)金屬（合金）的粘度 二、液態(tài)金屬（合金）的表面張力二、液態(tài)金屬（合金）的表面張力

9、一、液態(tài)金屬（合金）的粘度一、液態(tài)金屬（合金）的粘度1. 1. 液態(tài)合金的粘度及其影響因素液態(tài)合金的粘度及其影響因素2. 2. 粘度在材料成形中的意義粘度在材料成形中的意義1.1.液態(tài)金屬的粘度及其影響因素液態(tài)金屬的粘度及其影響因素（1 1）粘度的定義及意義）粘度的定義及意義（2 2）影響粘度的因素）影響粘度的因素（1）粘度的定義及意義）粘度的定義及意義 粘度粘度液體在層流運動狀態(tài)下，各液層間存在阻礙液液體在層流運動狀態(tài)下，各液層間存在阻礙液 體流動的內摩擦阻力，體流動的內摩擦阻力， 該內摩擦阻力稱為粘度。該內摩擦阻力稱為粘度。 )(xf 兩液層間的相對移動速度與液體性質有關 的系數由牛頓液體

10、粘滯定律，得兩液層間的摩擦力由牛頓液體粘滯定律，得兩液層間的摩擦力 ：dydsxfx)(式中：圖2-3 力作用于液面各層的速度兩液層間的接觸 面積s12345dydxxyz 由上式得：dydsxfx/ )(（pas或mpas） 稱為動力粘度系數，簡稱動力粘度。 如果在外力作用下的水力學流動，則液體密 度對流動的影響可忽略 ，則得到運動粘度：（m2/s）（2 2）影響粘度的因素）影響粘度的因素 a.溫度的影響溫度的影響 由富林克爾粘度表達式： k b boltzmann常數； u 為無外力作用時原子之間的結合能 0 為原子在平衡位置的振動周期（對液態(tài)金屬約為10-13秒） 液體各原子層之間的間距

11、tkutkbbexp203由上式看出：粘度隨原子間距粘度隨原子間距增大而降低（成反比）。實際增大而降低（成反比）。實際金屬液的原子間距金屬液的原子間距也非定值，也非定值，溫度升高，原子溫度升高，原子熱振動加劇，原子間距增大，熱振動加劇，原子間距增大， 隨之下降；隨之下降；粘度粘度 隨原子間結合能隨原子間結合能u按指數關系增加，這按指數關系增加，這可以理解為，可以理解為，液體的原子之間結合力越大，則內液體的原子之間結合力越大，則內摩擦阻力越大，粘度也就越高摩擦阻力越大，粘度也就越高； 與溫度與溫度t的關系受兩方面（正比的線性關系和的關系受兩方面（正比的線性關系和負的指數關系）所共同制約，通常，負

12、的指數關系）所共同制約，通常，總的趨勢隨總的趨勢隨溫度溫度t而下降（見下圖）而下降（見下圖）；a） 液態(tài)液態(tài) ni b） 液態(tài)液態(tài) co圖圖2-4 液體的粘度與溫度的關系液體的粘度與溫度的關系（圖中各曲線分別為不同研究者的研究結果） b.合金組元（成分）的影響：合金組元（成分）的影響： m-h（moelwyn-hughes）模型： 純溶劑的粘度；純溶劑的粘度； 溶質的粘度；溶質的粘度； x1、x2 分別為純溶劑和溶質的在溶液中的分別為純溶劑和溶質的在溶液中的mole分數，分數， r為氣體常數，為氣體常數，hm 為兩組元的混合熱。為兩組元的混合熱。2rthxxm21)(22111p若混合熱若混合

13、熱hm為負值，合金元素的增加會使合金為負值，合金元素的增加會使合金液的粘度上升液的粘度上升（hm為負值表明反應為放熱反應）為負值表明反應為放熱反應）p若混合熱若混合熱hm為正值，合金元素的增加會使合金為正值，合金元素的增加會使合金液的粘度下降液的粘度下降（hm為正值表明反應為吸熱反應）為正值表明反應為吸熱反應）p如：如：fe-c合金中隨合金中隨c含量的增加，粘度下降。含量的增加，粘度下降。pal-si合金中隨合金中隨si含量的增加，粘度下降。它們均含量的增加，粘度下降。它們均在共晶成分時粘度最低。在共晶成分時粘度最低。p液態(tài)合金中形成的夾雜物，均使粘度上升。如鋼液態(tài)合金中形成的夾雜物，均使粘度

14、上升。如鋼中的中的mns、al2o3、sio2等。等。若溶質與溶劑在若溶質與溶劑在液態(tài)形成金屬間化合物，液態(tài)形成金屬間化合物，則合金則合金液的粘度將會明顯高于純溶劑金屬液的粘度，因液的粘度將會明顯高于純溶劑金屬液的粘度，因為合金液中存在異類原子間較強的化學結合鍵。為合金液中存在異類原子間較強的化學結合鍵。表面活性元素表面活性元素（如向（如向al-si合金中添加的變質元素合金中添加的變質元素na）使液體粘度降低，非表面活性雜質的存在使）使液體粘度降低，非表面活性雜質的存在使粘度提高。粘度提高。 (1) 流態(tài)對流動阻力的影響：流態(tài)對流動阻力的影響： 根據流體力學：當雷諾數根據流體力學：當雷諾數re

15、2300時為紊流，時為紊流，re2300時為層流時為層流圓形管道：圓形管道：f 為流動阻力系數：為流動阻力系數： 顯然，顯然，粘度越大，流動阻力愈大，粘度越大，流動阻力愈大，在管道中輸送相同體積的液體所在管道中輸送相同體積的液體所 消耗的能量就愈大，或者說所需壓力差也就愈大。消耗的能量就愈大，或者說所需壓力差也就愈大。 在相同的外力作在相同的外力作 用下，用下，流速和流量越小，可能造成充不滿鑄型。流速和流量越小，可能造成充不滿鑄型。dvdredf32re32層2 .02 .02 .0)(092.0re092.0df紊 2.粘度在材料成形中的意義粘度在材料成形中的意義d-水力學半徑 -液體的臨界

16、速度( )/xdvf xsdy 2 . 0 (2)粘度對成形件質量的影響粘度對成形件質量的影響 影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴散脫氧；影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴散脫氧； 影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成：影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成： 影響鑄件輪廓的清晰程度；影響鑄件輪廓的清晰程度； 影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向；影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向；影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴散脫氧影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴散脫氧: 在鑄造合金熔煉及焊接過程中，這些冶金化學反應均是在鑄造合金熔煉及焊接過程中，這些冶金化學反應均是在金屬液與熔渣的界面進行的，金屬液中的雜質元素及熔渣在金屬液與熔渣的界面進行的，金

17、屬液中的雜質元素及熔渣中反應物要不斷地向界面擴散，同時界面上的反應產物也需中反應物要不斷地向界面擴散，同時界面上的反應產物也需離開界面向熔渣內擴散。這些反應過程的動力學（反應速度離開界面向熔渣內擴散。這些反應過程的動力學（反應速度和可進行到何種程度）受到反應物及生成物在金屬液和熔渣和可進行到何種程度）受到反應物及生成物在金屬液和熔渣中的擴散速度的影響，金屬液和熔渣的動力學中的擴散速度的影響，金屬液和熔渣的動力學粘度粘度低則有低則有利于擴散的進行，從而有利于脫去金屬中的雜質元素。利于擴散的進行，從而有利于脫去金屬中的雜質元素。影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成: 金屬液

18、各種精煉工藝，希望盡可能徹底地脫去金屬金屬液各種精煉工藝，希望盡可能徹底地脫去金屬液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和氣體，無論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，氣體，無論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，殘留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應該在金屬殘留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應該在金屬完全凝固前排除出去，否則易形成夾雜或氣孔，破壞完全凝固前排除出去，否則易形成夾雜或氣孔，破壞金屬的連續(xù)性。而金屬的連續(xù)性。而夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的夾雜物和氣泡的上浮速度與液體的粘度成反比粘度成反比（流體力學的斯托克斯公式）。（流體力學

19、的斯托克斯公式）。粘度粘度 較大較大時，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；時，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；鑄件鑄件的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。粘度對鑄件輪廓的清晰程度的影響粘度對鑄件輪廓的清晰程度的影響: 在薄壁鑄件的鑄造過程中，流動管道直徑在薄壁鑄件的鑄造過程中，流動管道直徑較小，雷諾數值小，流動性質屬于層流。此時，較小，雷諾數值小，流動性質屬于層流。此時，為降低液體的粘度應適當提高過熱度或者加入表為降低液體的粘度應適當提高過熱度或者加入表面活性物質等。面活性物質等。影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向影

20、響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向: 由于凝固收縮形成壓由于凝固收縮形成壓 力差而造成的自然對流力差而造成的自然對流均屬于層流性質，此時均屬于層流性質，此時粘度對層流的影響就會粘度對層流的影響就會直接影響到鑄件的質量。直接影響到鑄件的質量。二、液態(tài)金屬的表面張力二、液態(tài)金屬的表面張力1.1.表面張力的實質表面張力的實質2.2.影響表面張力的因素影響表面張力的因素3.3.表面張力在材料成形生產技術中的意義表面張力在材料成形生產技術中的意義1.1.表面張力的實質表面張力的實質（1）表面張力及其產生的原因）表面張力及其產生的原因 液體或固體同空氣或真空接觸的面叫液體或固體同空氣或真空接觸的面叫表面表面。表

21、面具有特殊性質，由此產生的現。表面具有特殊性質，由此產生的現象象表面現象。表面現象。 如荷葉上的水珠呈球狀，雨水總是以滴如荷葉上的水珠呈球狀，雨水總是以滴狀的形式從天空落下。狀的形式從天空落下。 表面張力是表面上平行于表面切線方向且各方向大表面張力是表面上平行于表面切線方向且各方向大小相等的張力。小相等的張力。 表面張力是由于物體在表面上的質點受力不均所造成。表面張力是由于物體在表面上的質點受力不均所造成。由于液體或固體的表面原子受內部的作用力較大，而朝由于液體或固體的表面原子受內部的作用力較大，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起表面原子的表面原子

22、的勢能比內部原子的勢能高勢能比內部原子的勢能高。因此，。因此，物體傾向于減小其表物體傾向于減小其表面積而產生表面張力面積而產生表面張力。（2）表面張力的意義）表面張力的意義 取一小塊表面薄膜（見右圖）， 寬度為b，薄膜受到一 繃緊力f，則有f= b 得到：式中-表面張力系數，簡稱表面張力（n/m）表面張力的一個意義是：液膜的單位長度上所受的表面張力的一個意義是：液膜的單位長度上所受的 繃緊力?？嚲o力。leslblfwsl在力f作用下，表面液膜拉長 ，則f所作的功為： ( 液膜拉長后增加的面積） 作的這項功成為液膜上的能量 ，有：swe(不考慮摩擦力）即se2/mj于是得到表面張力的另一個意義是

23、：表面張力可以看作是液膜上單位面積的能量。 （3）表面張力與潤濕角）表面張力與潤濕角潤濕潤濕角是衡量界面張力的標志角是衡量界面張力的標志 界面張力達到平衡時，存在下列關系：界面張力達到平衡時，存在下列關系：cossglslgcossglslg 式中，式中，sg為固為固氣界面張力；氣界面張力； ls為液為液固界固界面張力；面張力； lg為液為液氣界面張力氣界面張力 90，此時液體不能潤濕固體；，此時液體不能潤濕固體；=180=180稱稱絕對不潤濕。潤濕角是可以測定的。絕對不潤濕。潤濕角是可以測定的。 例如：例如：水銀與玻璃間及金屬液與水銀與玻璃間及金屬液與sio2間，由于間，由于兩者難以結合，所

24、以兩相間的界面張力很大，兩者難以結合，所以兩相間的界面張力很大，幾乎不潤濕。相反，同一金屬（或合金）液固幾乎不潤濕。相反，同一金屬（或合金）液固之間，由于兩者容易結合，界面張力與潤濕角之間，由于兩者容易結合，界面張力與潤濕角就很小。就很小。 通過測定通過測定潤濕角可比較不同液態(tài)金屬表面潤濕角可比較不同液態(tài)金屬表面張力的大小。張力的大小。 2.影響表面張力的因素影響表面張力的因素 （1）熔點）熔點 （2）溫度）溫度 （3）溶質元素）溶質元素 （1）熔點）熔點 界面張力的實質是質點間的作用力，界面張力的實質是質點間的作用力，故故原子間的結合力大的物質，其熔點、原子間的結合力大的物質，其熔點、沸點高

25、，則表面張力往往就大。沸點高，則表面張力往往就大。材料成材料成形過程中常用的幾種金屬的表面張力與形過程中常用的幾種金屬的表面張力與熔點的關系如下表所示熔點的關系如下表所示: （2）溫度）溫度 大多數金屬和合金，如大多數金屬和合金，如al、mg、zn等，等，其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高而使液體質點間的結合力減弱所至。但升高而使液體質點間的結合力減弱所至。但對于對于鑄鐵、銅及其合金則相反鑄鐵、銅及其合金則相反，即溫度升高，即溫度升高表面張力反而增加，其原因尚不清楚。表面張力反而增加，其原因尚不清楚。 （3）溶質元素）溶質元素 溶質元素對液態(tài)金屬表

26、面張力的影響分二大類：溶質元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類： 一類是使一類是使 表面張力降低表面張力降低的溶質元素，即的溶質元素，即 ， （c為溶質濃度），這類溶質對該金屬而言，稱為液態(tài)為溶質濃度），這類溶質對該金屬而言，稱為液態(tài) 金屬的金屬的表面活性元素表面活性元素，而且，而且具有正吸附作用具有正吸附作用，即溶質表，即溶質表面的濃度大于內部的濃度。面的濃度大于內部的濃度。 另一類是使液態(tài)金屬另一類是使液態(tài)金屬表面張力增加表面張力增加的溶質，的溶質， 即即 ，對該金屬而言，稱為液態(tài)金屬的，對該金屬而言，稱為液態(tài)金屬的表面非活表面非活 性元素性元素，具有負吸附作用具有負吸附作用，即溶質在表面

27、的濃度小，即溶質在表面的濃度小 于在內部的濃度。于在內部的濃度。0dcd0dcd 表面活性元素與表面非活性元素是指表面活性元素與表面非活性元素是指某某種元素對某種金屬而言種元素對某種金屬而言。 使表面張力降低的溶質元素叫表面活性使表面張力降低的溶質元素叫表面活性元素元素，“活性活性”之義為表面濃度大于內之義為表面濃度大于內部濃度，如鋼液和鑄鐵液中的部濃度，如鋼液和鑄鐵液中的s即為表面即為表面活性元素，也活性元素，也稱正吸附元素稱正吸附元素。 提高表面張力的元素叫表面非活性元素，提高表面張力的元素叫表面非活性元素，其表面的含量少于內部含量，稱負吸附其表面的含量少于內部含量，稱負吸附元素。元素。

28、下圖為各種溶質元素對下圖為各種溶質元素對al、mg和鑄鐵和鑄鐵液表面張力的影響液表面張力的影響圖2-6圖2-7圖2-8 表面活性元素的應用：表面活性元素的應用： 在合金中加入少量（或微量）的表面活性元在合金中加入少量（或微量）的表面活性元素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表張素，使其吸附在某一相的表面，降低合金的表張力，從而阻礙該相的生長，達到細化該相的目力，從而阻礙該相的生長，達到細化該相的目的，從而提高合金的機械性能。的，從而提高合金的機械性能。例：例：在在al-si（si5%）合金中，加入表面活性）合金中，加入表面活性元素元素na、稀土、稀土、sr等，使這些表面活性元素吸等，使這些表

29、面活性元素吸附在共晶硅的周圍，阻止該相的生長，使片狀附在共晶硅的周圍，阻止該相的生長，使片狀共晶硅長成桿狀或粒狀，細化了合金的組織提共晶硅長成桿狀或粒狀，細化了合金的組織提高了合金的力學性能（高了合金的力學性能（生產中稱為變質處理）生產中稱為變質處理）。 表面活性元素就是第五章中所講的強成分過冷表面活性元素就是第五章中所講的強成分過冷元素（生產中稱為變質劑）。元素（生產中稱為變質劑）。3.表面張力在材料成形生產技術表面張力在材料成形生產技術中的意義中的意義圖2-9 由于表面張力的作用，液態(tài)在細管中產生了由于表面張力的作用，液態(tài)在細管中產生了一個附加壓力一個附加壓力p(由表面張力產生的附近壓力叫

30、由表面張力產生的附近壓力叫拉普拉斯壓力拉普拉斯壓力)：1211()prr2pr 因表面張力而產生的曲面為球面時因表面張力而產生的曲面為球面時r1=r2（r1、r2為液體曲面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑），為液體曲面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑），上式可變?yōu)椋荷鲜娇勺優(yōu)椋?該式用利也可測試該式用利也可測試 表面張力表面張力 顯然附加壓力與管道半徑成反比顯然附加壓力與管道半徑成反比，毛細管毛細管 現象不僅在圓形截面管中產生，在任何一個狹現象不僅在圓形截面管中產生，在任何一個狹 窄的管口、裂縫和細孔中皆能出現。窄的管口、裂縫和細孔中皆能出現。 當當r很小時將產生很大的附加壓力，對液態(tài)很小時將產生很大

31、的附加壓力，對液態(tài) 成形成形(鑄造鑄造)過程中液態(tài)合金的充型性能和鑄件產過程中液態(tài)合金的充型性能和鑄件產 生很大影響。因此，生很大影響。因此，澆注薄小鑄件時必須提高澆澆注薄小鑄件時必須提高澆 注溫度和壓力注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。，以克服附加壓力的阻礙。 液態(tài)成形過程中所用的液態(tài)成形過程中所用的鑄型或涂料材料的選鑄型或涂料材料的選 擇是比較嚴格擇是比較嚴格的。首先所選擇的材料與液態(tài)合金的。首先所選擇的材料與液態(tài)合金 應是不潤濕的，如應是不潤濕的，如采用采用sio2、cr2o3和石墨砂等和石墨砂等 材料。在這些細小砂粒之間的縫隙中，將會產生材料。在這些細小砂粒之間的縫隙中，將會產生 阻

32、礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使鑄件表面阻礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使鑄件表面 得以光潔，避免機械粘砂。得以光潔，避免機械粘砂。 金屬凝固后期，枝晶之間存在的液膜金屬凝固后期，枝晶之間存在的液膜 小至微米時，小至微米時，表面張力對鑄件的凝固過程表面張力對鑄件的凝固過程的補縮狀況對是否出現熱裂缺陷有重大的的補縮狀況對是否出現熱裂缺陷有重大的影響影響。 在近代新材料的研究和開發(fā)中，如復在近代新材料的研究和開發(fā)中，如復 合材料，界面現象更是擔當著重要的角色。合材料，界面現象更是擔當著重要的角色。 總之，界面現象影響到液態(tài)成形加工總之，界面現象影響到液態(tài)成形加工 的整個過程，晶體成核及生長、縮松、

33、熱的整個過程，晶體成核及生長、縮松、熱裂、夾雜及氣泡等鑄造缺陷都與界面張力裂、夾雜及氣泡等鑄造缺陷都與界面張力關系密切。關系密切。2-4 2-4 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力 一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念 二、液態(tài)金屬停止流動的機理及充型能力二、液態(tài)金屬停止流動的機理及充型能力 的表達式的表達式 三、影響充型能力的因素及提高充型能力三、影響充型能力的因素及提高充型能力 的措施的措施一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念 1.流動性 液態(tài)金屬本身的流動能力，是金屬的鑄造性能之一。它僅與金屬本身的化學成分，溫度，雜質含量及其物理性質有關

34、。2.（流動性測試）合金的螺旋形流動（流動性測試）合金的螺旋形流動性實驗性實驗 在相同的條件下澆注各在相同的條件下澆注各種合金的流動性試樣，種合金的流動性試樣，以試樣的長度表示該合以試樣的長度表示該合金的流動性，并以所測金的流動性，并以所測得的合金流動性表示合得的合金流動性表示合金的充型能力。金的充型能力。圖2-103.充型能力充型能力 液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，是設計澆注態(tài)金屬充填鑄型的能力，是設計澆注系統(tǒng)的重要依據之一；系統(tǒng)的重要依據之一； 充型能力弱則可能產生澆不足、冷

35、充型能力弱則可能產生澆不足、冷隔；充型能力過強則可能產生砂眼、隔；充型能力過強則可能產生砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。等缺陷。 液態(tài)金屬的充型能力取決于：液態(tài)金屬的充型能力取決于： 內因內因 金屬本身的流動性金屬本身的流動性 外因外因 鑄型性質、澆注條件、鑄件結構等鑄型性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，因素的影響，是各種因素的綜合反映。是各種因素的綜合反映。 表1-4 不同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚金屬種金屬種類類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄熔模鑄造造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰灰 鑄鑄 鐵

36、鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-0.8-1.51.5-鑄鑄 鋼鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-鋁鋁 合合 金金3 33-43-4-0.6-0.6-0.80.8二、液態(tài)金屬停止流動的機理及充型能力的表達式二、液態(tài)金屬停止流動的機理及充型能力的表達式1.停止流動的機理停止流動的機理（1） 實驗現象 澆注兩種金屬的流動性試樣： 純al：結晶溫度區(qū)間 al-5%sn：結晶溫度區(qū)間很寬觀察兩種試樣縱剖面的宏觀組織（試樣頭部結構）：純al： al-5%sn： 0t430t柱狀晶試樣末端有縮孔等軸晶離澆口越遠,晶粒越細試樣末端凸起（2）現象分析（停止流動機

37、理）第一類：純金屬、共晶成分合金及凝固溫度第一類：純金屬、共晶成分合金及凝固溫度 第二類：寬凝固溫度區(qū)間合金停止第二類：寬凝固溫度區(qū)間合金停止 很窄的合金停止流動機理示意圖很窄的合金停止流動機理示意圖 流動機理示意圖流動機理示意圖前端析出前端析出1520的固相量的固相量時，流動就停止。時，流動就停止。 充型能力強充型能力強圖2-12第一類金屬（凝固溫度區(qū)間窄的金屬）停止流動的原因：第一類金屬（凝固溫度區(qū)間窄的金屬）停止流動的原因： 由于液流末端之前的某個部位從型壁向中心生長的柱狀晶互相接觸（或被氧化膜阻塞），流動通道被阻塞。這種凝固方式稱為逐層凝固。第二類金屬（凝固溫度區(qū)間寬的金屬）停止流動的

38、原因：第二類金屬（凝固溫度區(qū)間寬的金屬）停止流動的原因： 液態(tài)金屬在流動過程中，溫度沿程下降，而前端冷卻最快，首先結晶，且晶體分布于整個鑄件斷面，當晶體達到一定數量時，枝晶構成連續(xù)的網絡，阻止金屬的流動，使通道阻塞。 這種凝固方式稱為體積（糊狀）凝固。 由上分析看出，由于合金的凝固溫度區(qū)間（范圍）不 同，決定了合金是逐層凝固方式還是體積凝固方式，即決定了合金的凝固特性，也決定了合金的充型能力。因此合金的凝固特性主要由合金的凝固溫度范圍所決定的。 2.充型能力表達式充型能力表達式 設將合金澆注到一水平棒形 試樣中，合金的充型能力用 表示，則：ll式中：靜壓頭h下，液態(tài)金屬在型腔中的平均流速gh2

39、（ 流量消耗系數， ）1液態(tài)金屬進入型腔到停止流動的時間。近似 等于澆注時間圖2-13 充型能力物理模型三、影響充型能力的因素及提高三、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施充型能力的措施 1. 金屬性質方面的因素金屬性質方面的因素 2. 鑄型性質方面的因素鑄型性質方面的因素 3.澆注條件方面的因素澆注條件方面的因素 4.鑄件結構方面的因素鑄件結構方面的因素1. 金屬性質方面的因素金屬性質方面的因素（1）合金成分：純金屬、共晶和金屬間化合物成分）合金成分：純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內部推進，固

40、相層內表面比較光滑，對表面逐步向內部推進，固相層內表面比較光滑，對液體的流動阻力小，則液體的流動阻力小，則 大，合金液流動時間大，合金液流動時間 長，長，所以流動性所以流動性 好，具有寬結晶溫度范圍的合金流動好，具有寬結晶溫度范圍的合金流動性差。性差。l（2）結晶潛熱（）結晶潛熱（l）：）：l約為液態(tài)金屬熱量的約為液態(tài)金屬熱量的8590%, 對于純金屬、共晶和金屬間化合物成分對于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的潛熱越多，凝固過程進行得越慢，的合金，放出的潛熱越多，凝固過程進行得越慢，流動性越好，因此潛熱的影響較大，對于寬結晶溫流動性越好，因此潛熱的影響較大，對于寬結晶溫度范圍的合金

41、潛熱對流動性影響不大（潛熱散失約度范圍的合金潛熱對流動性影響不大（潛熱散失約20%后，流動就停止）。后，流動就停止）。（3）合金液的比熱）合金液的比熱c1 、密度、密度1越大越大 ，導熱系數，導熱系數1越小越小, 合金保持流動的時間合金保持流動的時間 越長，充型能力越長，充型能力 越好；越好；（4）合金液的粘度：在充型過程前期（屬紊流）對流動）合金液的粘度：在充型過程前期（屬紊流）對流動性的影響較小，而在充型過程后期凝固中（屬層流）對流性的影響較小，而在充型過程后期凝固中（屬層流）對流動性影響較大；動性影響較大；（5）表面張力：附加靜壓頭和鑄件輪廓的清晰程度。）表面張力：附加靜壓頭和鑄件輪廓的清晰程度。l2.鑄型性質方面的因素鑄型性質方面的因素 （1）鑄型的蓄熱系數）鑄型的蓄熱系數b2越大，鑄型的激冷能力就越強，金屬液于其中保持液態(tài)的時間越大，鑄型的激冷能力就越強，金屬液于其中保持液態(tài)的時間就越短，就