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1、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 2普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 引言引言第二節(jié)第二節(jié) 液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu) 第三節(jié)第三節(jié) 液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬的性質(zhì)第四節(jié)第四節(jié) 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 3普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 引言引言一、液體的分類(lèi)一、液體的分類(lèi)二、液體的表觀特征二、液體的表觀特征三、液體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與材料成形的關(guān)系三、液體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與材料成形的

2、關(guān)系合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 4普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、液體的分類(lèi)液體的分類(lèi) 按液體的構(gòu)成類(lèi)型，可分為：按液體的構(gòu)成類(lèi)型，可分為：原子液體（如液態(tài)金屬、液化惰性氣體）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），分子液體（如極性與非極性分子液體），離子液體（如各種簡(jiǎn)單的及復(fù)雜的熔鹽）離子液體（如各種簡(jiǎn)單的及復(fù)雜的熔鹽）合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 5普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、二、液體的表觀特征液體的表觀特征具有流動(dòng)性具有流動(dòng)性 （液體最顯著的性質(zhì)）（液體最

3、顯著的性質(zhì)）；可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀（類(lèi)似于氣（類(lèi)似于氣體，不同于固體）；體，不同于固體）；不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力，表明液體的原子或分子之不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力，表明液體的原子或分子之間的結(jié)合力沒(méi)有固體中強(qiáng)間的結(jié)合力沒(méi)有固體中強(qiáng) （類(lèi)似于氣體，不同于固體）；（類(lèi)似于氣體，不同于固體）；具有自由表面具有自由表面 （類(lèi)似于固體，不同于氣體）；（類(lèi)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(lèi)似于固體，不同于氣體）。（類(lèi)似于固體，不同于氣體）。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 6普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教

4、材材料成形基本原理材料成形基本原理液液 體體 性性 質(zhì)質(zhì)物理性質(zhì)物理性質(zhì)：密度、：密度、粘度粘度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)等；系數(shù)等；物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣：等壓熱容、等容熱容、熔化和氣化潛熱、化潛熱、表面張力表面張力等；等；熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)及其它。：蒸汽壓、膨脹和壓縮系數(shù)及其它。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 7普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、液體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與材料成形的關(guān)系三、液體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與材料成形的關(guān)系液體的界面張力、潛熱等性質(zhì)液體的界面張力、潛熱等性質(zhì) 凝固

5、過(guò)程的形核及晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)凝固過(guò)程的形核及晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)熔體的結(jié)構(gòu)信息熔體的結(jié)構(gòu)信息 凝固的微觀機(jī)制凝固的微觀機(jī)制 液體的原子擴(kuò)散系數(shù)、界面張力、傳熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、液體的原子擴(kuò)散系數(shù)、界面張力、傳熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、粘度等性質(zhì)粘度等性質(zhì) 成分偏析、固成分偏析、固-液界面類(lèi)型及晶體生長(zhǎng)方式液界面類(lèi)型及晶體生長(zhǎng)方式 熱力學(xué)性質(zhì)及反應(yīng)物和生成物在液相中的擴(kuò)散速度熱力學(xué)性質(zhì)及反應(yīng)物和生成物在液相中的擴(kuò)散速度 鑄造合金及焊接熔池的精煉鑄造合金及焊接熔池的精煉合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 8普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二節(jié)第二節(jié) 液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)液態(tài)金

6、屬的微觀結(jié)構(gòu)一、一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征二、二、由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)三、三、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 9普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征一、液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征 晶體：晶體：平移、對(duì)稱性特征（長(zhǎng)程有序）平移、對(duì)稱性特征（長(zhǎng)程有序）原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格結(jié)點(diǎn)上，原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格結(jié)點(diǎn)上，同時(shí)原子以某種模式在平衡位置上作熱振動(dòng)。同時(shí)原子以某

7、種模式在平衡位置上作熱振動(dòng)。氣體：氣體：完全無(wú)序?yàn)樘卣魍耆珶o(wú)序?yàn)樘卣鞣肿硬煌５刈鳠o(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)分子不停地作無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 10普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 液體：液體：長(zhǎng)長(zhǎng) 程程 無(wú)無(wú) 序序 不具備平移、對(duì)稱性；不具備平移、對(duì)稱性；近近 程程 有有 序序 相對(duì)于完全無(wú)序的氣體，液體中存在著許多不停相對(duì)于完全無(wú)序的氣體，液體中存在著許多不停“游蕩游蕩”著的局域有序的原子集團(tuán)著的局域有序的原子集團(tuán)，液體結(jié)構(gòu)表，液體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域范圍的有序性。現(xiàn)出局域范圍的有序性。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 11普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)

8、劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理液態(tài)金屬的衍射結(jié)構(gòu)參數(shù)液態(tài)金屬的衍射結(jié)構(gòu)參數(shù) 偶分布函數(shù)偶分布函數(shù) g(r)與與 平均原子間距平均原子間距 r1 徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù) 與與 配位數(shù)配位數(shù) N1合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 12普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 偶分布函數(shù)偶分布函數(shù) g(r)物理意義：物理意義：距某一參考粒子距某一參考粒子 r 處找到另一個(gè)粒子的處找到另一個(gè)粒子的幾率幾率.換言之，表示離開(kāi)參考原子換言之，表示離開(kāi)參考原子（處于坐標(biāo)原點(diǎn)（處于坐標(biāo)原點(diǎn)r=0）距離距離為為 r 位置的原子數(shù)密度位置的原子數(shù)密度(r)對(duì)于平均數(shù)密度對(duì)于

9、平均數(shù)密度o（N/V）的相的相對(duì)偏差。對(duì)偏差。(r)=o g(r)圖圖1-1 氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 13普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理平均原子間距平均原子間距 r1：對(duì)液體（或非晶固體），對(duì)應(yīng)于對(duì)液體（或非晶固體），對(duì)應(yīng)于 g(r)第一第一峰的位置。峰的位置。r=r1 表示參考原子至其周?chē)谝慌湮粚颖硎緟⒖荚又疗渲車(chē)谝慌湮粚痈髟拥钠骄娱g距。各原子的平均原子間距。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 14普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成

10、形基本原理材料成形基本原理 徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù) RDF RDF =4r 2o g(r)表示在表示在 r 和和 r+dr 之間的球殼中原子數(shù)的多少。之間的球殼中原子數(shù)的多少。配位數(shù)配位數(shù) N1：參考原子最近鄰（第一殼層）的原子數(shù)。：參考原子最近鄰（第一殼層）的原子數(shù)。配位數(shù)配位數(shù) N1 的求法：的求法：RDF第一峰之下的積分面積第一峰之下的積分面積drrrgNmrr21)(400 N1 與與 r1 一起，被認(rèn)為是液體最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。一起，被認(rèn)為是液體最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 15普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、由物質(zhì)熔化

11、過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)二、由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu) 物質(zhì)熔化時(shí)體積變化物質(zhì)熔化時(shí)體積變化熵變熵變(及焓變及焓變)一般均不大（見(jiàn)表一般均不大（見(jiàn)表1-1），金屬熔化時(shí)典型的體積變化），金屬熔化時(shí)典型的體積變化Vm/VS（Vm為熔化時(shí)的體積為熔化時(shí)的體積增量）為增量）為3%左右，表明左右，表明液體的原子間距接近于固體液體的原子間距接近于固體，在熔，在熔點(diǎn)附近其混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體的混亂度。點(diǎn)附近其混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體的混亂度。金屬熔化潛熱金屬熔化潛熱Hm比其氣化潛熱比其氣化潛熱Hb小得多（表小得多（表1-2），為），為1/151/30，表明，表明熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)合鍵只有部分被

12、破壞熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)合鍵只有部分被破壞。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 16普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型（一）（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型無(wú)規(guī)密堆硬球模型（二）（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型（三）（三）液體結(jié)構(gòu)及粒子間相互作用的理論描述液體結(jié)構(gòu)及粒子間相互作用的理論描述（四）（四）實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 17普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 液體的缺陷模型與幾乎與每一種固體金屬的晶液體的缺

13、陷模型與幾乎與每一種固體金屬的晶體缺陷相對(duì)應(yīng)，諸如點(diǎn)陣空位、位錯(cuò)和晶界等模型。體缺陷相對(duì)應(yīng)，諸如點(diǎn)陣空位、位錯(cuò)和晶界等模型。微晶模型微晶模型：液態(tài)金屬有很多微小晶體和面缺陷組液態(tài)金屬有很多微小晶體和面缺陷組成，在微晶體中金屬原子或離子組成完整的晶體點(diǎn)成，在微晶體中金屬原子或離子組成完整的晶體點(diǎn)陣，這些微晶體之間以界面相連接。陣，這些微晶體之間以界面相連接?？昭Ｐ涂昭Ｐ停航饘倬w熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大金屬晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)格中形成大量的空位，從而使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有量的空位，從而使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有序性。大量空位的存在使液態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從序性。大量空位的存

14、在使液態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從而具有流動(dòng)性。隨著液態(tài)金屬溫度的提高，空位的數(shù)而具有流動(dòng)性。隨著液態(tài)金屬溫度的提高，空位的數(shù)量也不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小。量也不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小。位錯(cuò)模型位錯(cuò)模型：液態(tài)金屬可以看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破液態(tài)金屬可以看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在特定的溫度以上，在低溫條件下不壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在特定的溫度以上，在低溫條件下不含位錯(cuò)的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而含位錯(cuò)的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而變成液體。變成液體。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 18普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原

15、理（四）（四）實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)“能量起伏能量起伏”“結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏”液體中大量不停液體中大量不?！坝蝿?dòng)游動(dòng)”著著的局域有序原子團(tuán)簇時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏的局域有序原子團(tuán)簇時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏“濃度起伏濃度起伏”同種元素及不同元素之間的同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)易聚集在一起，把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 19普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理

16、材料成形基本原理第三節(jié)第三節(jié) 液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬的性質(zhì)一、液態(tài)金屬的粘度一、液態(tài)金屬的粘度二、液態(tài)金屬的表面張力二、液態(tài)金屬的表面張力合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 20普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、液態(tài)金屬的粘度一、液態(tài)金屬的粘度（一）（一）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（二）（二）粘度在材料成形中的意義粘度在材料成形中的意義合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 21普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）液態(tài)金屬的粘度及其影響因素（一）液態(tài)金屬的粘度及其影響因素1.1.液體粘度的定義液體

17、粘度的定義2.2.粘度的影響因素粘度的影響因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 22普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1.1.液體粘度的定義液體粘度的定義 粘度系數(shù)粘度系數(shù)-簡(jiǎn)稱粘度簡(jiǎn)稱粘度(動(dòng)力學(xué)粘度動(dòng)力學(xué)粘度)，是，是根據(jù)牛頓提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)定義的：根據(jù)牛頓提出的數(shù)學(xué)關(guān)系式來(lái)定義的：平行于平行于X方向作用于液體表面方向作用于液體表面 （X-Z面）面）的外加剪切應(yīng)力，的外加剪切應(yīng)力，VX液體在液體在X方向的運(yùn)動(dòng)速度，方向的運(yùn)動(dòng)速度，dVX/dy表示沿表示沿Y方向的速度梯度。方向的速度梯度。.oV5V4V3V2V1YXZ外力作用于液體表面各原子層速度外力作

18、用于液體表面各原子層速度 dydVX表述為：液體流動(dòng)的速度梯度表述為：液體流動(dòng)的速度梯度dVX/dy與剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)力成正比。成正比。通常條件下，所有的液態(tài)金屬符合牛頓通常條件下，所有的液態(tài)金屬符合牛頓定律，被稱為牛頓液體。定律，被稱為牛頓液體。粘度的物理意義可視為：作用于液體表粘度的物理意義可視為：作用于液體表面的應(yīng)力面的應(yīng)力大小與垂直于該平面方向上大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)。的速度梯度的比例系數(shù)。液體粘度量綱為液體粘度量綱為M/LT，常用單位，常用單位為為 PaS 或或 MPaS。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 23普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原

19、理材料成形基本原理2.2.粘度的影響因素粘度的影響因素粘度表達(dá)式：粘度表達(dá)式：K b Bolzmann常數(shù)；常數(shù)；U 為無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能為無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能0 為原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài)金屬約為為原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài)金屬約為10-13秒）秒）液體各原子層之間的間距液體各原子層之間的間距粘度粘度隨原子間結(jié)合能隨原子間結(jié)合能U按指數(shù)關(guān)系增加，這可按指數(shù)關(guān)系增加，這可以理解為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩以理解為，液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度也就越高；擦阻力越大，粘度也就越高；粘度的影響因素：粘度的影響因素：粘度隨原子間距粘度隨原子間

20、距增大而降低（成反比）。實(shí)際增大而降低（成反比）。實(shí)際金屬液的原子間距金屬液的原子間距也非定值，溫度升高，原子也非定值，溫度升高，原子熱振動(dòng)加劇，原子間距增大，熱振動(dòng)加劇，原子間距增大，隨之下降；隨之下降；與溫度與溫度T的關(guān)系受兩方面（正比的線性關(guān)系和的關(guān)系受兩方面（正比的線性關(guān)系和負(fù)的指數(shù)關(guān)系）所共同制約，通常，總的趨勢(shì)隨負(fù)的指數(shù)關(guān)系）所共同制約，通常，總的趨勢(shì)隨溫度溫度T而下降（見(jiàn)圖而下降（見(jiàn)圖1-9）；）；TkUkTBexp203合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 24普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金組元（或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響：合金組元（

21、或微量元素）對(duì)合金液粘度的影響：M-H（Moelwyn-Hughes）模型：）模型：1純?nèi)軇┑恼扯龋患內(nèi)軇┑恼扯龋?溶質(zhì)的粘度；溶質(zhì)的粘度；X1、X2 分分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的在溶液中的別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的在溶液中的mole分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)，R為氣體常為氣體常數(shù)，數(shù)，Hm 為兩組元的混合熱。為兩組元的混合熱。RTHXXm21)(2211p若混合熱若混合熱Hm為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)使合金為負(fù)值，合金元素的增加會(huì)使合金液的粘度上升（液的粘度上升（Hm為負(fù)值表明反應(yīng)為放熱反應(yīng)，為負(fù)值表明反應(yīng)為放熱反應(yīng)，異類(lèi)原子間結(jié)合力大于同類(lèi)原子，因此摩擦阻力及異類(lèi)原子間結(jié)合力大于同類(lèi)原子，因此摩擦阻力及粘度隨之提高）粘度

22、隨之提高）若溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，則合金液若溶質(zhì)與溶劑在固態(tài)形成金屬間化合物，則合金液的粘度將會(huì)明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，因?yàn)楹系恼扯葘?huì)明顯高于純?nèi)軇┙饘僖旱恼扯?，因?yàn)楹辖鹨褐写嬖诋愵?lèi)原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵。金液中存在異類(lèi)原子間較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合鍵。表面活性元素（如向表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的變質(zhì)元素合金中添加的變質(zhì)元素Na）使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高。使液體粘度降低，非表面活性雜質(zhì)的存在使粘度提高。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 25普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）（二）粘度在材料成形中的意義粘度在材

23、料成形中的意義 影響成形過(guò)程的粘度包括動(dòng)力學(xué)粘度影響成形過(guò)程的粘度包括動(dòng)力學(xué)粘度 與動(dòng)力學(xué)粘度與動(dòng)力學(xué)粘度。運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度為動(dòng)力學(xué)粘度除以密度，即：運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度為動(dòng)力學(xué)粘度除以密度，即：運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度 適用于較大外力作用下的水力學(xué)流動(dòng)，此時(shí)由于適用于較大外力作用下的水力學(xué)流動(dòng)，此時(shí)由于外力的作用，液體密度對(duì)流動(dòng)的影響可以忽略（當(dāng)采用了運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度系外力的作用，液體密度對(duì)流動(dòng)的影響可以忽略（當(dāng)采用了運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度系數(shù)數(shù)之后，之后，金和金和水兩者近于一致。例如鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，水兩者近于一致。例如鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，完全可以按水力學(xué)原理來(lái)考慮）完全可以按水力學(xué)原理來(lái)考慮）。動(dòng)力學(xué)粘度動(dòng)力學(xué)

24、粘度 在外力作用非常小的情況下適用，如夾雜的上浮在外力作用非常小的情況下適用，如夾雜的上浮過(guò)程和凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮等均與動(dòng)力粘度系數(shù)過(guò)程和凝固過(guò)程中的補(bǔ)縮等均與動(dòng)力粘度系數(shù)有關(guān)。有關(guān)。/合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 26普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理對(duì)流動(dòng)阻力有影響的因素除了粘度外，還有流態(tài)。對(duì)流動(dòng)阻力有影響的因素除了粘度外，還有流態(tài)。當(dāng)雷諾數(shù)當(dāng)雷諾數(shù)Re2300 時(shí)為紊流，時(shí)為紊流，Re2300 時(shí)為層流時(shí)為層流圓形管道的雷諾數(shù)：圓形管道的雷諾數(shù)：f 為液體流動(dòng)的阻力系數(shù)：為液體流動(dòng)的阻力系數(shù)：0.2一般情況下，層流時(shí)的流動(dòng)阻力比紊流時(shí)大。流動(dòng)阻力愈

25、大，在管道中輸一般情況下，層流時(shí)的流動(dòng)阻力比紊流時(shí)大。流動(dòng)阻力愈大，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(shuō)所需壓力差也就愈大。送相同體積的液體所消耗的能量就愈大，或者說(shuō)所需壓力差也就愈大。DvDReDf32Re32層2.02.02.0)(092.0Re092.0Df紊合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 27普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響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(kuò)散脫氧；影響鋼鐵材料的脫硫、脫

26、磷、擴(kuò)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：熔渣及金屬液粘度降低對(duì)焊縫的合金過(guò)渡有利。熔渣及金屬液粘度降低對(duì)焊縫的合金過(guò)渡有利。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 28普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理粘度對(duì)鑄件輪廓的清晰程度的影響粘度對(duì)鑄件輪廓的清晰程度的影響 在薄壁鑄件的鑄造過(guò)程在薄壁鑄件的鑄造過(guò)程中，流動(dòng)管道直徑較小，雷中，流動(dòng)管道直徑較小，雷諾數(shù)值小，流動(dòng)性質(zhì)屬于層諾數(shù)值小，流動(dòng)性質(zhì)屬于層流。此時(shí)，為降低液體的粘流。此時(shí)，為降低液體的粘度應(yīng)適當(dāng)提高過(guò)熱度或者加度應(yīng)適當(dāng)提高過(guò)熱度或者加入表面活性物質(zhì)等。入表面活性物質(zhì)等。

27、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 29普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向 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(duì)流均力差而造成的自然對(duì)流均屬于層流性質(zhì)，此時(shí)粘度屬于層流性質(zhì)，此時(shí)粘度對(duì)流動(dòng)的影響就會(huì)直接影對(duì)流動(dòng)的影響就會(huì)直接影響到鑄件的質(zhì)量。響到鑄件的質(zhì)量。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 30普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧 在鑄造合金熔煉及焊接過(guò)程中，在鑄造合金熔煉及焊接過(guò)程

28、中，這些冶金化學(xué)反應(yīng)均是在金屬液與熔這些冶金化學(xué)反應(yīng)均是在金屬液與熔渣的界面進(jìn)行的。金屬液中的雜質(zhì)元渣的界面進(jìn)行的。金屬液中的雜質(zhì)元素及熔渣中反應(yīng)物要不斷地向界面擴(kuò)素及熔渣中反應(yīng)物要不斷地向界面擴(kuò)散，同時(shí)界面上的反應(yīng)產(chǎn)物也需離開(kāi)散，同時(shí)界面上的反應(yīng)產(chǎn)物也需離開(kāi)界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。界面向熔渣內(nèi)擴(kuò)散。反應(yīng)速度受到反應(yīng)物及生成物在金屬液和熔渣中擴(kuò)散速度的影反應(yīng)速度受到反應(yīng)物及生成物在金屬液和熔渣中擴(kuò)散速度的影響，金屬液和熔渣的響，金屬液和熔渣的粘度粘度低有利于擴(kuò)散并脫去雜質(zhì)元素低有利于擴(kuò)散并脫去雜質(zhì)元素。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 31普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成

29、形基本原理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 金屬液各種精煉工藝，希望盡可能徹底地脫去金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）屬液中的非金屬夾雜物（如各種氧化物及硫化物等）和氣體，無(wú)論是鑄件型腔中還是焊接熔池中的金屬液，和氣體，無(wú)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(yīng)該在金屬殘留的（或二次形成的）夾雜物和氣泡都應(yīng)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

30、泡的上浮速度與液體的粘度成反比粘度成反比（流體力學(xué)的斯托克斯公式）。（流體力學(xué)的斯托克斯公式）。粘度粘度較大時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；鑄件及較大時(shí)，夾雜或氣泡上浮速度較小，影響精煉效果；鑄件及焊縫的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。焊縫的凝固中，夾雜物和氣泡難以上浮排除，易形成夾雜或氣孔。2)(92rgBm合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 32普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理對(duì)焊縫的合金過(guò)渡影響對(duì)焊縫的合金過(guò)渡影響 在焊縫金屬的合金化方法中，在焊縫金屬的合金化方法中，通過(guò)含有合金元素的焊劑、藥皮通過(guò)含有合金元素的焊劑、藥皮

31、或藥芯進(jìn)行合金過(guò)渡是較為常用或藥芯進(jìn)行合金過(guò)渡是較為常用的方法。這類(lèi)方法的合金過(guò)渡主的方法。這類(lèi)方法的合金過(guò)渡主要是在金屬液與熔渣的界面上進(jìn)要是在金屬液與熔渣的界面上進(jìn)行的。行的。熔渣及金屬液粘度降低，進(jìn)入熔渣中的合金元素易擴(kuò)熔渣及金屬液粘度降低，進(jìn)入熔渣中的合金元素易擴(kuò)散到熔渣散到熔渣-熔池金屬界面上，向熔池金屬內(nèi)部擴(kuò)散。熔池金屬界面上，向熔池金屬內(nèi)部擴(kuò)散。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 33普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、液態(tài)金屬的表面張力二、液態(tài)金屬的表面張力（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力的因素（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響表面張力的因素（二）

32、表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 34普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響因素（一）表面張力的實(shí)質(zhì)及影響因素表面張力及其產(chǎn)生的原因表面張力及其產(chǎn)生的原因表面自由能與表面張力的關(guān)系表面自由能與表面張力的關(guān)系表面與界面表面與界面影響表面張力的因素影響表面張力的因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 35普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、表面張力及其產(chǎn)生的原因、表面張力及其產(chǎn)生的原因 表面張力是表面上平行于表面切線方向且各方向大表

33、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表面張力是由于物體在表面上的質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)部的作用力較面上的質(zhì)點(diǎn)受內(nèi)部的作用力較大，而朝著氣體的方向受力較大，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起小，這種受力不均引起表面原表面原子的勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。子的勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。因此，因此，物體傾向于減小其表面物體傾向于減小其表面積而產(chǎn)生表面張力。積而產(chǎn)生表面張力。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 36普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2、表面自由能與表面張力的關(guān)系、表面自由能與表面張力的關(guān)系 表面自由能（表面能

34、）：系統(tǒng)為產(chǎn)生新的單位面表面自由能（表面能）：系統(tǒng)為產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)的自由能增量。積表面時(shí)的自由能增量。表面能及表面張力從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。表面能及表面張力從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但其雖然表面張力與表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，單位也可以互換。大小完全相同，單位也可以互換。通常表面張力的單位為力通常表面張力的單位為力/距離（如距離（如N/m、dyn/cm），），表面能的單位為能量表面能的單位為能量/面積（如面積（如J/m2、erg/cm2等）等）。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 37普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃

35、教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、表面與界面、表面與界面 表面與界面的差別在于后者泛指表面與界面的差別在于后者泛指兩相之間的兩相之間的交界面交界面，而前者特指，而前者特指液體（或固體）與氣體之間液體（或固體）與氣體之間的交界面的交界面，但更嚴(yán)格說(shuō)，應(yīng)該是指液體（或固體），但更嚴(yán)格說(shuō)，應(yīng)該是指液體（或固體）與其蒸汽的界面。廣義上說(shuō)，物體（液體或固體）與其蒸汽的界面。廣義上說(shuō)，物體（液體或固體）與氣相之間的界面能和界面張力等于物體的表面與氣相之間的界面能和界面張力等于物體的表面能和表面張力。能和表面張力。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 38普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本

36、原理材料成形基本原理4、影響表面張力的因素、影響表面張力的因素1 1）表面張力與原子間作用力的關(guān)系）表面張力與原子間作用力的關(guān)系：原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力u0表面內(nèi)能表面內(nèi)能 表面張力表面張力2 2）表面張力與原子體積）表面張力與原子體積（3）成反比，與）成反比，與價(jià)電子數(shù)價(jià)電子數(shù)Z Z成正比成正比3 3）表面張力）表面張力隨溫度升高而下降隨溫度升高而下降4 4）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響 向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元會(huì)使表面張力降低。向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元會(huì)使表面張力降低。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 39普通高等教

37、育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理（二）（二）表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義表面張力在材料成形生產(chǎn)技術(shù)中的意義 表面張力在大體積系統(tǒng)中顯示不出它的作用，但在微表面張力在大體積系統(tǒng)中顯示不出它的作用，但在微小體積系統(tǒng)會(huì)顯示很大的作用小體積系統(tǒng)會(huì)顯示很大的作用 界面張力與潤(rùn)濕角界面張力與潤(rùn)濕角 表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差 液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響（液膜理論）（液膜理論）合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 40普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1、界面張

38、力與潤(rùn)濕角、界面張力與潤(rùn)濕角 接觸的兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，界面張力接觸的兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，界面張力（界面能）就越小，兩相間的界面張力越小時(shí)，（界面能）就越小，兩相間的界面張力越小時(shí)，潤(rùn)濕角越小，稱之為潤(rùn)濕性好。潤(rùn)濕角越小，稱之為潤(rùn)濕性好。例如：水銀與玻璃間及金屬液與例如：水銀與玻璃間及金屬液與SiO2間，由于兩者難以結(jié)合，所以兩相間間，由于兩者難以結(jié)合，所以兩相間的界面張力很大，幾乎不潤(rùn)濕。相反，的界面張力很大，幾乎不潤(rùn)濕。相反，同一金屬（或合金）液固之間，由于同一金屬（或合金）液固之間，由于兩者容易結(jié)合，界面張力與潤(rùn)濕角就兩者容易結(jié)合，界面張力與潤(rùn)濕角就很小。很小。液態(tài)金屬凝固時(shí)析出的固

39、相與液相的界面能越小，液態(tài)金屬凝固時(shí)析出的固相與液相的界面能越小，形核率越高。形核率越高。熔渣與液態(tài)金屬之間的潤(rùn)熔渣與液態(tài)金屬之間的潤(rùn)濕性將影響熔渣對(duì)金屬的保濕性將影響熔渣對(duì)金屬的保護(hù)效果與焊縫外觀成形。護(hù)效果與焊縫外觀成形。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 41普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 表面為平面時(shí)（曲率半徑表面為平面時(shí)（曲率半徑為無(wú)窮大），表面張力不產(chǎn)為無(wú)窮大），表面張力不產(chǎn)生壓力差。當(dāng)表面具有一定生壓力差。當(dāng)表面具有一定的曲度時(shí)，液相中的壓力高的曲度時(shí)，液相中的壓力高于氣相（于氣相（p1p2），該壓力差），該壓力差值的大小與曲率半徑成反比，值

40、的大小與曲率半徑成反比，曲率半徑越小，表面張力的曲率半徑越小，表面張力的作用越顯著。作用越顯著。2、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差、表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差 rp對(duì)任意曲面：對(duì)任意曲面：2111rrp對(duì)球形曲面（如液滴）（對(duì)球形曲面（如液滴）（r1=r2）：）：rp2液相為凸面時(shí)（金屬液滴），液滴內(nèi)部壓力大于外部壓力：液相為凸面時(shí)（金屬液滴），液滴內(nèi)部壓力大于外部壓力：p1p2液相為凹面時(shí)（液相中有氣泡），氣泡內(nèi)部壓力小于外部壓力：液相為凹面時(shí)（液相中有氣泡），氣泡內(nèi)部壓力小于外部壓力：p1p2對(duì)柱面（對(duì)柱面（r2)：合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 42普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教

41、材材料成形基本原理材料成形基本原理 在凝固的后期，不同晶粒之在凝固的后期，不同晶粒之間存在著液膜，由于表面張力的間存在著液膜，由于表面張力的作用，液膜將其兩側(cè)的晶體緊緊作用，液膜將其兩側(cè)的晶體緊緊地吸附在一起，液膜厚度越小，地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。其吸附力量就越大。c)b)a)HHT cT brcrbT aSSSSSSLLLrp/設(shè)液膜為圓柱體的部分凹面，設(shè)液膜為圓柱體的部分凹面，由于表面張力的作用，始終存在由于表面張力的作用，始終存在著一個(gè)與外力方向相反的應(yīng)力與著一個(gè)與外力方向相反的應(yīng)力與之相平衡，其大小為：之相平衡，其大小為：當(dāng)當(dāng) r=T/2 時(shí)，時(shí)，fmax=p達(dá)臨

42、界達(dá)臨界值，如果繼續(xù)將液膜拉開(kāi)，則值，如果繼續(xù)將液膜拉開(kāi)，則曲率半徑曲率半徑 r 將再度變大，而應(yīng)力將再度變大，而應(yīng)力p 將變小。在這種情況下，凝將變小。在這種情況下，凝固收縮引起的拉應(yīng)力將大于由固收縮引起的拉應(yīng)力將大于由表面張力所產(chǎn)生的應(yīng)力，使液表面張力所產(chǎn)生的應(yīng)力，使液膜兩側(cè)固體急劇分離。膜兩側(cè)固體急劇分離。3液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響液膜拉斷臨界力及表面張力對(duì)凝固熱裂的影響合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 43普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理液膜的拉斷臨界應(yīng)力液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax大小為：大小為：對(duì)于對(duì)于=1g/cm的金屬來(lái)說(shuō)，如果

43、液膜厚度為的金屬來(lái)說(shuō)，如果液膜厚度為10-6mm時(shí)，要將液膜兩側(cè)的時(shí)，要將液膜兩側(cè)的晶粒拉開(kāi)所需應(yīng)力為晶粒拉開(kāi)所需應(yīng)力為2103 N/mm2！液膜拉斷時(shí)若無(wú)外界液體補(bǔ)充，！液膜拉斷時(shí)若無(wú)外界液體補(bǔ)充，那么晶粒間或枝晶間便形成了凝固熱裂紋?？梢?jiàn)，那么晶粒間或枝晶間便形成了凝固熱裂紋?？梢?jiàn)，液膜的表面張力越液膜的表面張力越大，液膜越薄，則液膜的拉斷臨界應(yīng)力大，液膜越薄，則液膜的拉斷臨界應(yīng)力fmax 越大越大，裂紋越難形成。，裂紋越難形成。第一種情況第一種情況：凝固的早期凝固的早期，或者靠近液體的兩相區(qū)內(nèi)，液膜與大量未，或者靠近液體的兩相區(qū)內(nèi)，液膜與大量未凝固的液體相通，此時(shí)液膜兩側(cè)的固體枝晶拉開(kāi)多

44、少，液體凝固的液體相通，此時(shí)液膜兩側(cè)的固體枝晶拉開(kāi)多少，液體補(bǔ)充補(bǔ)充進(jìn)去進(jìn)去多少，因此多少，因此不會(huì)產(chǎn)生熱裂不會(huì)產(chǎn)生熱裂。Trpf22T/max合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 44普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二種情況第二種情況：液膜已經(jīng)與液體區(qū)：液膜已經(jīng)與液體區(qū)隔絕隔絕，但是由于，但是由于低熔點(diǎn)物質(zhì)低熔點(diǎn)物質(zhì)的大量的大量存在（如鋼中的硫共晶），形成存在（如鋼中的硫共晶），形成大的液膜厚度大的液膜厚度和和低的表面張力低的表面張力，將，將使液膜的最大斷裂應(yīng)力使液膜的最大斷裂應(yīng)力 fmax 減小，且熔點(diǎn)低而凝固速度較慢，這樣，減小，且熔點(diǎn)低而凝固速度較慢

45、，這樣，厚的液膜將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地保持下去，在此期間，如果有大的拉伸速度，厚的液膜將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地保持下去，在此期間，如果有大的拉伸速度，則往往要?jiǎng)t往往要產(chǎn)生熱裂產(chǎn)生熱裂。第三種情況第三種情況：液膜雖已與液體區(qū)隔絕，但由于液膜中：液膜雖已與液體區(qū)隔絕，但由于液膜中低熔點(diǎn)雜質(zhì)較低熔點(diǎn)雜質(zhì)較少少，其，其表面張力較高表面張力較高，熔點(diǎn)也相應(yīng)較高熔點(diǎn)也相應(yīng)較高而而凝固速度較快凝固速度較快，液膜迅速，液膜迅速變薄，此時(shí)如果液膜兩側(cè)的固體枝晶受到拉力，將會(huì)遇到變薄，此時(shí)如果液膜兩側(cè)的固體枝晶受到拉力，將會(huì)遇到大的大的 f max 的抗力，這種抗力將使的抗力，這種抗力將使高溫固體內(nèi)部高溫固體內(nèi)部產(chǎn)生產(chǎn)生蠕變變形蠕變變

46、形，從而，從而避免了熱避免了熱裂的產(chǎn)生裂的產(chǎn)生。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 45普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四節(jié)第四節(jié) 液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力一、一、液態(tài)金屬充型能力的基本概念液態(tài)金屬充型能力的基本概念二、二、影響充型能力的因素影響充型能力的因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 46普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理液態(tài)金屬充型能力液態(tài)金屬充型能力 液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的

47、能力，是設(shè)計(jì)澆注填鑄型的能力，是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；充型能力弱，則可能產(chǎn)充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、鐵生澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。夾砂等缺陷。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 47普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 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(nèi)因內(nèi)因 金屬本身的流動(dòng)性金屬本身的流動(dòng)性外因外因 鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)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。表表1-4 不

48、同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚不同金屬和不同鑄造方法的鑄件最小壁厚金屬種類(lèi)金屬種類(lèi)鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰灰 鑄鑄 鐵鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-鑄鑄 鋼鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-鋁鋁 合合 金金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 48普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)在相同的條件下澆注各在相同的

49、條件下澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度表示該合以試樣的長(zhǎng)度表示該合金的流動(dòng)性，并以所測(cè)金的流動(dòng)性，并以所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。金的充型能力。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 49普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖1-25 純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度純金屬、共晶成分合金及結(jié)晶溫度 圖圖1-26 寬結(jié)晶溫度合金停止寬結(jié)晶溫度合金停止 很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖很窄的合金停止流動(dòng)機(jī)理示意圖 流動(dòng)機(jī)理示意圖流動(dòng)機(jī)理示意圖前端析出前端析出1520的固相量的固相量時(shí)，流動(dòng)就停止。時(shí)，流動(dòng)就停止。充型能

50、力強(qiáng)充型能力強(qiáng)液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理與充型能力液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理與充型能力合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 50普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理影響充型能力的因素影響充型能力的因素1.1.金屬性質(zhì)方面的因素金屬性質(zhì)方面的因素（流動(dòng)性的高低）（流動(dòng)性的高低）2.2.鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型性質(zhì)方面的因素3.3.澆注條件方面的因素澆注條件方面的因素合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 51普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1.金屬性質(zhì)方面的因素金屬性質(zhì)方面的因素純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：在固純金屬、共晶和金屬間化合物成

51、分的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對(duì)液體的流內(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對(duì)液體的流動(dòng)阻力小，合金液流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好，動(dòng)阻力小，合金液流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng)性不好；具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng)性不好；結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的8590%）：對(duì)于純）：對(duì)于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的潛金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的潛熱越多，凝固過(guò)程進(jìn)行的越慢，流動(dòng)性越好，因此熱越多，凝固過(guò)程進(jìn)行的越慢，流動(dòng)性越好，因此

52、潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大。對(duì)流動(dòng)性影響不大。合金液的比熱、密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小合金液的比熱、密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小,充型能力充型能力越好；越好；合金液的粘度，在充型過(guò)程前期（屬紊流）對(duì)流動(dòng)性合金液的粘度，在充型過(guò)程前期（屬紊流）對(duì)流動(dòng)性的影響較小，而在充型過(guò)程后期凝固中（屬層流）對(duì)的影響較小，而在充型過(guò)程后期凝固中（屬層流）對(duì)流動(dòng)性影響較大。流動(dòng)性影響較大。例：例：Fe-CFe-C合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 52普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原

53、理材料成形基本原理2、鑄型性質(zhì)方面的因素、鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù) b2越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。越短，充型能力下降。金屬型（銅、鑄鐵、鑄鋼等）的蓄熱系數(shù)金屬型（銅、鑄鐵、鑄鋼等）的蓄熱系數(shù)b2是砂型的十倍或數(shù)十倍是砂型的十倍或數(shù)十倍以上，為了使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的以上，為了使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入涂料中加入b2很小的石棉粉。很小的石棉粉。濕砂型的濕砂型的b2是干砂型的是干砂型的2倍左右，砂型的倍左右，砂型的

54、b2與造型材料的性質(zhì)、型與造型材料的性質(zhì)、型砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度等因素有關(guān)。砂成分的配比、砂型的緊實(shí)度等因素有關(guān)。2222cb合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 53普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3、澆注條件方面的因素、澆注條件方面的因素 澆注溫度越高、充型壓澆注溫度越高、充型壓頭越大，則液態(tài)金屬的充頭越大，則液態(tài)金屬的充型能力越好；型能力越好；澆注系統(tǒng)（直澆道、橫澆注系統(tǒng)（直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道）的復(fù)雜程澆道、內(nèi)澆道）的復(fù)雜程度，鑄件的壁厚與復(fù)雜程度，鑄件的壁厚與復(fù)雜程度等也會(huì)影響液態(tài)金屬的度等也會(huì)影響液態(tài)金屬的充型能力。充型能力。合肥工業(yè)大學(xué)材料

55、科學(xué)與工程學(xué)院制作 54普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖1-21 Fe-C1-21 Fe-C合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 55普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 56普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理RDF=4r2og(r),atoms/r,（圖圖1-2 稍高于熔點(diǎn)時(shí)幾種液態(tài)堿金屬的徑向分布函數(shù)稍高于熔點(diǎn)時(shí)幾種液態(tài)堿金屬的徑向分布函數(shù)(RDF)RDF 第一峰之下的積第一峰之下的積分面積即配位數(shù)分面積即配位

56、數(shù) N1 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 57普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理CrystalMatter StructureTypeTm(K)Vm /Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.16Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar

57、-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47物質(zhì)熔化時(shí)的體積變化與熵變物質(zhì)熔化時(shí)的體積變化與熵變合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 58普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理(Hb/ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb/HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表表1-2 幾種晶體幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱）和氣化潛熱(Hb)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作 59普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖1-無(wú)規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中五種多面體間隙無(wú)規(guī)密堆結(jié)構(gòu)中五種多面體間隙a.四面體；四面體；b.八面體；八面體；c.四方十二面體；四方十二面體；d.三角棱柱多面體；三角棱柱多面體；e.阿基米德反棱柱多面體阿基米德反棱柱多面體73%20%3%1%3%