材料成型原理 金属的凝固

《材料成型原理 金属的凝固》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、湖南科技大学机电工程学院2021/10/51材料成形原理Chapter3第3章金属的凝固2021/10/52第3章金属的凝固凝固是指从液态向固态转变的相变过程，广泛存在于自然界和工程技术领域。研究和了解液态金属的结构和性质，是分析和控制金属凝固过程必要的基础。3.1液态金属的结构和性质从微观上看，凝固可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。2021/10/53液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。固体可以是非晶体也可以是晶体，而液

2、态金属则几乎总是非晶体。3.1.1固体金属的加热与熔化固体金属原子的热运动金属原子间的作用力－金属键（库仑力）2021/10/542021/10/55原子热运动（相互碰撞并传递能量）的结果是各原子能量不均匀－能量起伏。金属的熔化原子受热时，若其获得的动能大于激活能时，原子就能越过原来的势垒，进人另一个势阱。这样，原子处于新的平衡位置，即从一个晶格常数变成另一个晶格常数。晶体比原先尺寸增大，即晶体受热而膨胀。对晶体进一步加热则在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态，能脱离晶粒的表面使金属处于熔化状态。2021/10/56在熔点处，金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频

3、繁。晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子，形成时而集中时而分散的原子集团、游离原子和空穴；此时，金属从固态转变为液态，其体积膨胀约3%~5%。同时，金属的其他性质如电阻、粘性也会发生突变。在熔点温度的固态变为同温度的液态时，金属要吸收大量的热量，称为熔化潜热。2021/10/57熔化时外界提供的热能，除因原子间距增大、体积膨胀而做功外，还增加体系的内能。在恒压下存在如下关系式Eq=U+pdV=ΔH(3-1)式中，Eq为外界提供的热能；U为内能；pdV为膨胀功；ΔH为热焓的变化，即熔化潜热。在等温等压下由上式得熔化时熵值的变化为dS=Eq/T=(U+pdV)/T(3-2)dS值的大小描述了

4、金属由固态变成液态时，原子由规则排列变成非规则排列的紊乱程度。2021/10/583.1.2液态金属的结构液态金属的热物理性质从固态金属的熔化过程可看出，在熔点附近或过热度不大的液态金属中仍然存在许多的固态晶粒，其结构接近固态而远离气态－汽化潜热远大于其熔化潜热。熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。由表3-1可见金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。X射线结构分析通过X射线衍射找出液态金属的原子间距和配位数从而确定液态金属同固态金属在结构上的差异。2021/10/59液态铝中的原子的

5、排列在几个原子间距的小范围内，与其固态铝原子的排列方式基本一致，而远离的原子就完全不同于固态了。这种结构称为“微晶”。液态铝的这种结构称为“近程有序”、“远程无序”的结构，而固态的原子结构为远程有序的结构。2021/10/510液态金属的结构由前面分析可见，纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，而实际液态合金还包含杂质和气泡等结构。原子集团由数量不等的原子组成，其大小为10-10m数量级，在此范围内仍具有一定的规律性，称为“近程有序”。实际金属和合金中，除了能量起伏，还存在浓度起伏－溶质原子含量（成分）的瞬时不稳定性。因此，实际液态金属和合金中存在能量起伏、浓度起伏及结

6、构起伏（或叫相起伏），三个起伏影响液态合金凝固过程。2021/10/511金属由液态转变为固态的凝结过程，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。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。再结晶？2021/10/5123.1.3液态金属的性质液态金属有各种性质，在此仅阐述与材料成形过程关系特别密切的二个性质：粘度(粘滞性)和表面张力。A.粘度：粘度的实质及影响因素当外力F(x)作用于液态表面时，层与层之间存在内摩擦力，由牛顿液体粘滞定律及富林克尔理论：粘度本质上是原子间的结合力－液体的内摩擦力。粘度与温度的关系为:在温度

7、不太高时，指数项的影响是主要的，即η与T成反方向变化。当温度很高时，指数项接近于1，与T成正比。此外夹杂物及合金元素等对粘度也有影响。2021/10/513流体力学中有运动粘度ν＝η/ρ，密度↑，ν↓，惯性↑，紊流倾向↑。运动粘度适用于外力作用下的水力学运动；在外力作用非常小的情况，液体金属的动力粘度将起主要作用，如夹杂物的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关。影响粘度的因素：金属的粘度与温度和成份的变化有关