液體金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的相變過(guò)程。主要研究對(duì)象——液體金屬影響液態(tài)金屬凝固過(guò)程的最主要因素是化學(xué)成分。第二個(gè)主要的因素是凝固速度。這是一個(gè)重要的外在的工藝因素。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、冶金處理（如孕育、球化、變質(zhì)等）、外力（如電磁力、離心力、重力等）也能對(duì)凝固過(guò)程產(chǎn)生重大的影響。當(dāng)前1頁(yè)，總共25頁(yè)?！?-1材料的固液轉(zhuǎn)變固態(tài)金屬:按原子聚集形態(tài)分為晶體,非晶體和準(zhǔn)晶。晶體:凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。單晶體:晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體多晶體:大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點(diǎn)上，其振動(dòng)頻率約為1013次/s。當(dāng)前2頁(yè)，總共25頁(yè)。液態(tài)金屬液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時(shí)一樣，均不能自由運(yùn)動(dòng)，圍繞著平衡結(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行振動(dòng)，但振動(dòng)的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬(wàn)倍。液態(tài)金屬宏觀上呈正電性，具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱和流動(dòng)性。

固體可以是非晶體、準(zhǔn)晶體，也可以是晶體，而液態(tài)金屬則幾乎總是非晶。§1-1材料的固液轉(zhuǎn)變當(dāng)前3頁(yè)，總共25頁(yè)。升溫過(guò)程體積變化§1-1材料的固液轉(zhuǎn)變晶格常數(shù)固態(tài)至液態(tài)過(guò)程：固態(tài)升溫，晶格常數(shù)變大繼續(xù)加熱，達(dá)到激活能值原子數(shù)進(jìn)一步增加，原子離開點(diǎn)陣——形成空位局部勢(shì)壘減少，臨近原子進(jìn)入——空穴位移晶界處原子處于激活狀態(tài)，原子向臨近晶粒跳躍，原有晶粒形狀尺寸改變——相對(duì)流動(dòng)——熔化進(jìn)一步加熱，溫度不升高，原子跳躍頻繁，晶粒瓦解——原子集團(tuán)、游離原子、空穴——液態(tài)原子位置激活能當(dāng)前4頁(yè)，總共25頁(yè)。§2-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析金屬由熔點(diǎn)溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)比其從室溫加熱至熔點(diǎn)的熵變要小。熵值變化是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂性變化的量度。金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)熵值增加不大，說(shuō)明原子在固態(tài)時(shí)的規(guī)則排列熔化后紊亂程度不大。這也間接說(shuō)明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)應(yīng)接近固體金屬而遠(yuǎn)離氣態(tài)金屬。原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。結(jié)構(gòu)（相）起伏、溫度（能量）起伏、成分（濃度）起伏?！蛹瘓F(tuán)、空位等的大小、形態(tài)、分布及熱運(yùn)動(dòng)時(shí)刻處于變化狀態(tài)。當(dāng)前5頁(yè)，總共25頁(yè)。X射線衍射分析橫坐標(biāo)為觀測(cè)點(diǎn)至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對(duì)于三維空間，它相當(dāng)于以所選原子為球心的一系列球體的半徑?？v坐標(biāo)表示當(dāng)半徑增減一個(gè)單位長(zhǎng)度時(shí)，球體（球殼）內(nèi)原子個(gè)數(shù)的變化值，其中（r）稱為密度函數(shù)。700℃時(shí)液態(tài)Al中原子分布曲線當(dāng)前6頁(yè)，總共25頁(yè)。對(duì)于固態(tài)金屬而言，原子在某一平衡位置熱振動(dòng)，因此衍射結(jié)果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點(diǎn)陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值。但對(duì)于液態(tài)金屬而言，原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬(wàn)變的熱振動(dòng)和熱運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒(méi)有固定的位置，而其峰值所對(duì)應(yīng)的位置（r）只是表示衍射過(guò)程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。§2-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析當(dāng)前7頁(yè)，總共25頁(yè)。其第一峰值與固態(tài)時(shí)的衍射線（第一條垂線）極為接近，其配位數(shù)與固態(tài)時(shí)相當(dāng)。第二峰值雖仍較明顯，但與固態(tài)時(shí)的峰值偏離增大，而且隨著r的增大，峰值與固態(tài)時(shí)的偏離也越來(lái)越大。當(dāng)它與所選原子相距太遠(yuǎn)的距離時(shí)，原子排列進(jìn)入無(wú)序狀態(tài)。表明，液態(tài)金屬中的原子在幾個(gè)原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài)時(shí)的有序排列相近，只不過(guò)由于原子間距的增大和空穴的增多，原子配位數(shù)稍有變化。當(dāng)前8頁(yè)，總共25頁(yè)。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征１）組成：液態(tài)金屬是由游動(dòng)的原子團(tuán)、空穴或裂紋構(gòu)成。２）特征：“近程有序”、“遠(yuǎn)程無(wú)序”原子間能量不均勻性，存在能量起伏。原子團(tuán)是時(shí)聚時(shí)散，存在結(jié)構(gòu)起伏。同一種元素在不同原子團(tuán)中的分布量，存在成分起伏。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)前9頁(yè)，總共25頁(yè)。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝結(jié)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過(guò)渡為長(zhǎng)程有序狀態(tài)的過(guò)程，從這個(gè)意義上理解，金屬?gòu)囊环N原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬于結(jié)晶過(guò)程。金屬?gòu)囊簯B(tài)過(guò)渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶；金屬?gòu)囊环N固態(tài)過(guò)渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶?！?-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析當(dāng)前10頁(yè)，總共25頁(yè)?！?-3液態(tài)金屬的性質(zhì)V0YF或Pa.s1、粘度（一）粘度的實(shí)質(zhì)及影響因素當(dāng)外力F（X）作用于液態(tài)表面時(shí)，其速度分布如圖所示。層與層之間存在內(nèi)摩擦力。當(dāng)前11頁(yè)，總共25頁(yè)。§1-3液態(tài)金屬的性質(zhì)富林克爾在關(guān)于液體結(jié)構(gòu)的理論中作了粘度數(shù)學(xué)處理：粘度本質(zhì)：原子間結(jié)合力影響因素：：化學(xué)成分、溫度、夾雜物當(dāng)前12頁(yè)，總共25頁(yè)。（二）粘度在材料成形過(guò)程中的意義1)對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響液態(tài)金屬中存在各種夾雜物及氣泡等，必須盡量除去。雜質(zhì)及氣泡與金屬液的密度不同。根據(jù)司托克斯原理，半徑0.1cm以下的球形雜質(zhì)的上浮速度：2)對(duì)液態(tài)合金流動(dòng)阻力的影響根據(jù)流體力學(xué)，雷諾數(shù)Re＞2300為湍流（紊流），Re＜2300為層流。Re的數(shù)學(xué)式為當(dāng)前13頁(yè)，總共25頁(yè)。當(dāng)液體以層流方式流動(dòng)時(shí)，阻力系數(shù)大，流動(dòng)阻力大。金屬液體的流動(dòng)成形，以紊流方式流動(dòng)最好，由于流動(dòng)阻力小，液態(tài)金屬能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔中的流動(dòng)一般為紊流。但在充型的后期或夾窄的枝晶間的補(bǔ)縮流和細(xì)薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流。當(dāng)前14頁(yè)，總共25頁(yè)。3)對(duì)凝固過(guò)程中液態(tài)合金對(duì)流的影響液態(tài)金屬在冷卻和凝固過(guò)程中，由于存在溫度差和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)合金對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)浮力大于或等于粘滯力時(shí)則產(chǎn)生對(duì)流，其對(duì)流強(qiáng)度由無(wú)量綱的格拉曉夫準(zhǔn)則度量，即可見(jiàn)粘度η越大對(duì)流強(qiáng)度越小。液體對(duì)流對(duì)結(jié)晶組織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重要影響。當(dāng)前15頁(yè)，總共25頁(yè)。2、表面張力——液體的物性參數(shù)（一）表面張力是質(zhì)點(diǎn)（分子、原子等）間作用力不平衡引起的。這就是液珠存在的原因。當(dāng)外界所做的功僅用來(lái)抵抗表面張力而使系統(tǒng)表面積增大時(shí)，該功的大小則等于系統(tǒng)自由能的增量。當(dāng)前16頁(yè)，總共25頁(yè)。>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowetting潤(rùn)濕現(xiàn)象當(dāng)前17頁(yè)，總共25頁(yè)。（二）影響界面張力的因素影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素。

1．熔點(diǎn)界面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力，故原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，則表面張力往往就大。當(dāng)前18頁(yè)，總共25頁(yè)。

2．溫度大多數(shù)金屬和合金，如Al、Mg、Zn等，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(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力減弱所至。但對(duì)于鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相反，即溫度升高表面張力反而增加。其原因尚不清楚。

3．溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對(duì)液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素，如鋼液和鑄鐵液中的S即為表面活性元素，也稱正吸附元素。提高表面張力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附元素。當(dāng)前19頁(yè)，總共25頁(yè)。金屬液的表面張力可以改變鋁液中加入第二元素鎂液中加入第二元素當(dāng)前20頁(yè)，總共25頁(yè)。P、S、Si對(duì)鑄鐵熔液表面張力的影響當(dāng)前21頁(yè)，總共25頁(yè)。砂型與金屬液的潤(rùn)濕性正面圖X-X截面圖（三）表面或界面張力在材料成形過(guò)程中的意義在材料加工工藝中經(jīng)常遇到的毛細(xì)現(xiàn)象，主要就是受表面張力所控制——彎曲液面的附加壓力當(dāng)前22頁(yè)，總共25頁(yè)。拉普拉斯—揚(yáng)方程式

當(dāng)曲面是球面一部分時(shí)，r1=r2，則得到附加壓力與曲率半徑的關(guān)系式

r當(dāng)前23頁(yè)，總共25頁(yè)。當(dāng)前24頁(yè)，總共25頁(yè)。附加壓力與管道半徑成反比。當(dāng)r很小時(shí)產(chǎn)生很大的附加壓力，對(duì)液態(tài)成形過(guò)程中液態(tài)合金的充型性能和鑄件表面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。因此，澆注薄小鑄件時(shí)必須提高澆注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。

液態(tài)成形過(guò)