金属成型理论基础.ppt

1,第三章液态金属的结构和性质,液态金属的结构,,液态金属的性质,2,3.1液态金属的结构,一、金属的加热膨胀和熔化1.膨胀的原因（1）原子间的斥力和引力随距离变化快慢不同，势能曲线不对称，振动中心位置变远，原子间距增大（2）“空穴”的产生,3,结合力与结合能,4,结合力与结合能,原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。,5,,6,金属从规则的原子排列突变为紊乱的非晶质的过程，该过程中吸收的热量除了使体积膨胀做功外，还增加了系统的内能。实践证明，金属熔化从晶界开始。,2.熔化,7,二、液态金属的结构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.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，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。,8,700℃时液态Al中原子分布图,9,（1）原子间仍保持较强的结合能，平均原子间距增加不大；（2）原子排列在较小距离内仍具有一定规律性，原子集团呈“近程有序排列”；（3）原子集团处在“能量起伏”状态；（4）原子集团处在“结构起伏”状态；,3.液体状态的结构有以下特点,10,1200℃时液态金属原子的状态,1500℃时液态金属原子的状态,11,12,13,能量起伏,结构起伏,浓度起伏,14,,3.2液态金属的性质,液态金属的表面现象,液态金属的黏性,15,一、液态金属的黏性,（一）动力黏度和运动黏度,动力黏度,16,影响粘度的因素有以下主要方面（１）温度温度高则粘度小。（２）化学成分难熔化合物的粘度高，而熔点低的共晶成分合金其粘度低（３）非金属夹杂物呈固态的非金属夹杂物使液态合金的粘度增加。,17,（二）合金黏度对铸件质量的影响动力黏度高，充型过程中的运动阻力就大，易造成浇不到。雷诺数在浇注系统和型腔流动时的紊流程度。,18,黏度对铸件形成过程的影响（１）对液态金属流态的影响液态金属的流动阻力在层流时受粘度的影响远比在紊流时的大。（２）对液态金属对流的影响运动粘度愈大，对流强度愈小。（３）对液态金属净化的影响液体的粘度越大，杂质留在铸件中的可能性就越大。,19,Stokes公式合金液中的气泡和非金属夹杂物在金属液中的上浮速度,适用对象直径小于0.1mm的球形气泡或杂质。,20,二、液态合金的表面现象,（一）分子压力由于任何相界面处表相分子受力不均匀,表相分子有向体相运动的趋势因而表相对体相产生一种压力,称为“分子压力”。这是产生表面张力的根源。,21,22,（二）弯曲液面的附加压力,1.附加压力当相界面为曲面时，还会产生另一种压力，称为附加压力。附加压力定义为PAPr-P∞其中P∞和Pr分别为平相界面和弯曲相界面时体相所受的压力。可见,附加压力是任意形状界面时比平界面时多出的压力。,23,任意弯曲的液-气表面，附加压力pR1,R2界面上两个相互垂直弧线的曲率半径当为球状时,24,2.弯曲液面的附加压力,25,附加压力的推导设想在液态钎料内部形成一个球形的气泡,气泡的半径为r,当温度一定时液体所受的压力为P。当压力P发生微小变化时,则气泡的表面积A和体积V均发生微小改变dA和dV,则有对于球形气泡V4πr3/3,dV4πr2drA4πr2,dA8πrdr所以dA/dV2/r故PA2σ/r可见附加压力与表面张力成正比,与界面曲率半径成反比。气泡法测定附加压力示意图,26,Young－Laplace方程,对于球面R1R2r,则PA2σ/r；对于平面R1→∞,R2→∞，则PA→∞。,27,（三）固-液-气界面张力,固体表面的液滴及表面张力的示意,28,根据力的平衡原理,,,29,（四）影响表面张力的因素,1.熔点（原子结合力）熔点高的物质，其原子结合力大，表面张力大2.温度多数金属和合金，温度升高，表面张力降低；但少数合金，如铸铁、碳钢、铜及其合金等随温度升高表面张力升高。3.溶质使表面张力降低表面活性物质；使表面张力升高非活性物质；,30,（五）对铸型工艺的影响,冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需要克服附加压头。,不浸润时管孔中的附加压头,