液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 配料（固態(tài)金屬原料） 熔煉 液態(tài)金屬 澆入鑄型 冷卻 脫模、清理 合格的毛坯或鑄件（固態(tài)金屬） 沖天爐 感應(yīng)電爐 電弧爐 滿足成分、溫度等 砂型 金屬型 消失模 模殼 零件材質(zhì) 零件圖 鑄件圖 鑄造工藝設(shè)計 制模、制芯 鑄型準(zhǔn)備 第1頁/共58頁 1 適應(yīng)性強 能鑄造小至幾克，大至數(shù)百噸；壁厚從0.2mm至1m；長度從幾毫米至十幾米；形狀從簡單至任意復(fù)雜的鑄件。也就是說，鑄造不受尺寸大小、形狀復(fù)雜程度的限制。就金屬種類而言它適用于各種合金，如常用的鐵碳合金(鑄鐵、鑄鋼)、鋁合金、鎂合金、銅合金、鋅合金、鈦合金以及各種難熔合金等 2 可以利用某

2、些合金的特性 對于脆性金屬或合金，鑄造是唯一可行的加工方法。因此，可以利用某些合金的特性，如鑄鐵的切削性、振動吸收性、耐熱性、耐磨性；高錳鋼的耐磨性等，生產(chǎn)鑄件滿足使用要求。 第2頁/共58頁 4 成本低 鑄件在一般機器中占4080的重量，而成本只占機器總成本的2530。成本低的原因是：1)容易實現(xiàn)機械化生產(chǎn)；2)可大量使用廢舊金屬料；3)與鍛造相比動力消耗少；4)尺寸精度高，加工余量小，節(jié)約加工工時。 5、缺點 （1 ）鑄件尺寸均一性差； （2） 與壓力加工和粉末冶金相比金屬的利用率低； （3 ）內(nèi)在質(zhì)量比鍛件差； （4 ）工作環(huán)境粉塵多、溫度高、勞動強度大、生產(chǎn)效率低等 第3頁/共58頁

3、第4頁/共58頁 曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場。 第5頁/共58頁 巧奪天工的曾侯乙尊盤。 是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠(yuǎn)處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細(xì)長的盤龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。 戰(zhàn)國時代的“冰箱 ”曾侯乙冰鑒 第6頁/共58頁 明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元14181422年），中國現(xiàn)存最大的青銅鐘。 銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘

4、合金成分為：銅80.54、錫16.40、鋁1.12，為泥范鑄造。 現(xiàn)存北京大鐘寺。 第7頁/共58頁 第8頁/共58頁 第9頁/共58頁 湖北當(dāng)陽鐵塔，鑄造 于北宋嘉佑六年（公 元1061年），八面十 三層 ，高16.945米, 據(jù)銘文記載的鐵塔重 七萬六千六百斤,當(dāng) 時是就地設(shè)爐分層鑄 造,采用堆土法而建 起來,各層之間重疊 擺放,沒有焊接 ,整 個塔身玲瓏雋秀,從 上到下,自里而外全 生鐵澆鑄,僅塔剎在 清代以青銅重鑄. 第10頁/共58頁 江蘇吉鑫風(fēng)能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無冒口鑄造工藝，可耐-40低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

5、第11頁/共58頁 三峽700MW水輪機組配套 的大型水輪機葉片在力學(xué) 性能、表面質(zhì)量等方面均 達(dá)世界一流水平 第12頁/共58頁 第13頁/共58頁 中國和美國中國和美國19962001年鑄件產(chǎn)量（萬噸年鑄件產(chǎn)量（萬噸） 主要發(fā)達(dá)國家19962001年鑄件產(chǎn)量（萬噸） 2008年世界鑄件總產(chǎn)量為9345萬噸，中國為1700萬噸。 其中主要鑄件生產(chǎn)國美國、日本、印度均下降。 第14頁/共58頁 （2）鑄造裝備升級 大容量、專業(yè)化、高精度、節(jié)能、環(huán)保、低噪音方向發(fā)展 （3） 企業(yè)上規(guī)模、上檔次、重環(huán)保，演繹可持續(xù)發(fā)展 第15頁/共58頁 第16頁/共58頁 第一章第一章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬

6、的結(jié)構(gòu)和 性質(zhì)性質(zhì) 東北大學(xué)秦皇島分校材料科學(xué)與工程系材料成形原理 林曉娉 教授 第17頁/共58頁 第18頁/共58頁 物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，原子之間存在著相互作用力，即庫侖引力和庫侖斥力，如圖1-1所示。當(dāng)原子間的距離為R0時，原子受到的引力與斥力相等，處于平衡狀態(tài)，而向左和向右運動都會受到一個指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附近做簡諧振動，維持晶體的固定結(jié)構(gòu)。 圖1-1 原子間的作用力 第19頁/共58頁 當(dāng)溫度升高時，原子振動能量增加，振動頻率和振幅增大。以雙原子模型為例，假設(shè)左邊的原子被固定不動而右邊的原子是自由的。則隨著溫度的升高，原子間距將由R0R1R2R3R4；原子的能

7、量也不斷升高，由W0W1W2W3W4。原子間距隨溫度升高而增加，即產(chǎn)生膨脹，如圖1-2所示。膨脹只改變原子的間距，并不改變原子排列的相對位置。 圖1-2 加熱時原子間距和 原子勢壘的變化 第20頁/共58頁 第21頁/共58頁 d()ddd q EUpVUp VH 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT 1 d(dd) q E SUp V TT pdVdU TT E ds g 1 第22頁/共58頁 第23頁/共58頁 第24頁/共58頁 第25頁/共58頁 第26頁/共58頁 第27頁/共58頁 第28頁/

8、共58頁 drr4r 2 r r 2 1 2 4 參考原子 r dr -為至所選定原子的距離。從三維空間 說，相當(dāng)于一所選定原子為中心的一系 列球體的半徑。 -密度函數(shù) -表示圍繞所選定原子的 半徑為r,厚度為dr的一層球殼層中的原 子數(shù)的多少。 第一個等同配位殼層中的原子數(shù)目實 際上就是液態(tài)金屬的配位數(shù)。 配位數(shù)= 為一個單峰的外推邊界 r1 r2 21 r ,r drr4r 2 r r 2 1 d4 2 第29頁/共58頁 右圖為700時液態(tài)Al中原子分布曲線。 柱狀線表示固態(tài)Al中原子的分布規(guī)律。固態(tài)鋁中 的原子位置是固定的，在平衡位置附近作熱振動 ，故球殼上的原子數(shù)顯示出是某一固定的數(shù)

9、值， 呈現(xiàn)一條條的柱狀線。每一條柱狀線都有明確的 位置和高度值(原子數(shù))。 若700液體鋁是理想的均勻非晶態(tài)液體， 則其原子分布為拋物線。 實際的700液體鋁的原子分布為一條有多 個峰谷的曲線，是連續(xù)非間斷的。曲線的第一個 峰值和第二個峰值接近固態(tài)時柱狀線的高度值( 原子數(shù))，此后就接近于理想液體的原子平均密 度分布曲線了。這說明原子已無固定的位置，是 瞬息萬變的。液態(tài)鋁中原子的排列在幾個原子間 距的范圍內(nèi)，與固態(tài)鋁原子的排列方式基本一致 ，而遠(yuǎn)離選定原子后就完全不同于固態(tài)了 。 圖1-3 700時液態(tài)Al中原子 分布曲線 1-實際液態(tài)鋁原子分布 2-理想液態(tài)鋁原子分布 3-固態(tài)鋁的原子分布

10、第30頁/共58頁 固態(tài)金屬中原子的停留時間長，衍射結(jié)果將得到一條條清晰的線，每 條線都有明確的位置(r)和峰值(原子數(shù)) 液態(tài)金屬中除熱振動外，尚有激烈的瞬息萬變的跳躍，每個原子沒有 固定的位置，故衍射結(jié)果為一條條帶，其峰值位置表示在衍射過程中相鄰 原子間最大幾率的原子間距。 由圖可見，液態(tài)金屬的原子分布曲線波動于平均密度曲線4r20的上 下，其第一個峰值位置和固態(tài)衍射線極為相近，其配位數(shù)也相近。第二峰 尚略可見，而在距選定原子不太遠(yuǎn)的距離(10埃)時它與平均密度線相重 ，即此處的原于排列已無序了。 這些結(jié)果說明：液態(tài)金屬中原子的排列在幾個原于間距的范圍內(nèi)，與 其固態(tài)的排列方式基本致。但由于

11、原子間距的增大和空穴的增多，原于 的配位數(shù)略有變化(如下表)。此外還可以看到原予的熱運動大為增強。 第31頁/共58頁 BACK 金屬金屬液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài) 溫度溫度/原子間距原子間距 /nm 配位數(shù)配位數(shù)原子間距原子間距 /nm 配位數(shù)配位數(shù) Li4000.32410 0.3038 Na100.38380.3728 Al7000.29810110.28612 K700.46480.4508 Zn4600.294110.265、 0.294 6+6 Cd3500.30680.297、 0.330 6+6 Sn2800.320110.302、 0.315 4+2 Au11000.286110.28

12、812 Bi3400.33278 0.309、 0.346 3+3 其配位數(shù)雖增大，但密度仍減小。 這些原子的第一、二層近鄰原子非常相近，兩層原子都算作配位數(shù)，但以“+”號表示區(qū)別；在液態(tài)金屬中兩層合一。 固態(tài)結(jié)構(gòu)較松散，熔化后密度增大。 第32頁/共58頁 第33頁/共58頁 第34頁/共58頁 實際上，上述純金屬是不存在的。實際金屬中 ，即使非常純，也還存在著大量的雜質(zhì)原子。如含 Fe 99.999999%的純鐵(實際金屬很難達(dá)到這么高 的純度)，即雜質(zhì)含量為10-8，每摩爾體積(7.1cm3) 中總的原子數(shù)為6.0231023，則每1cm3鐵液中所 含雜質(zhì)原子數(shù)約相當(dāng)于1015數(shù)量級。

13、這些雜質(zhì)往往不只是一種，而是多種多樣的， 它們在液體中不會很均勻地分布。它們的存在方式 也是不同的，有的以溶質(zhì)方式，有的與其它原子形 成某些化合物(液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)的夾雜物)。 第35頁/共58頁 A多 B少 A少 B多 第36頁/共58頁 AA B B B B B B B A-A B-B 第37頁/共58頁 BACK 第38頁/共58頁 第39頁/共58頁 . . . . . . o V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 Y X Z dy dVX 1）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; 2）粘度隨原子間距增大而降低; 3）隨溫度T 而下降。實際金屬液的原子間距也非定

14、值，溫度升高， 原子熱振動加劇，原子間距隨之而增大，因此 會隨之下降。 4）合金組元（或微量元素）對合金液粘度的影響：合金元素的增加 會使合金液的粘度上升. 第40頁/共58頁 第41頁/共58頁 第42頁/共58頁 F S 即表面自由能為單位面積上的自由能 由于自由能可表達(dá)為力與位移的乘積，因此 22 JN mN mmm 這樣， 又可理解為物體表面單位長度上作用著的力，即表面張力。廣義地說，應(yīng)稱為界面張力 第43頁/共58頁 氣體 液體固體 氣體 液體固體 f 3 f 1 f 2 f 1 f 3 f 2 f 1的數(shù)值很小，比較f 2和f 3 （）若f 3f 2 ，三力的合力F指向固體且垂直于

15、液面，液面與 固液界面的夾角為銳角。此時界面張力的作用使液體沿固體 表面鋪開，固液之間是潤濕的 （）若f 3f 2 ，三力的合力F指向液體內(nèi)部，與F垂直的液面 與固液界面的夾角為鈍角。此時界面張力使液面縮為球形， 固液之間為不潤濕。 第44頁/共58頁 從上述分析可知，兩種物質(zhì)接觸時，潤濕或不潤 濕主要取決于其間的親合力。潤濕或不潤濕的 表現(xiàn)為下圖中的接觸角。界面張力達(dá)到穩(wěn)定 態(tài)后，圖中各界面張力之間的關(guān)系為 cos SGLSLG cos SGLS LG 第45頁/共58頁 1)SG LS 時，cos 為正值，即 90。通常把為銳角的情況稱為液體能潤濕固體。 0 時，液體在固體表面鋪展成薄膜，

16、稱為完全潤濕。 cos SGLS LG SG SG 2)SG90。此時液體傾向于形成球狀，稱之為液體不能潤濕固體。180 為完全不潤濕。 第46頁/共58頁 0 d d t 0 d d t 第47頁/共58頁 第48頁/共58頁 c d RT dc 0 d dc 單位表面積上較內(nèi)部多（或 少）吸附溶質(zhì)的量，mol/m2 c溶質(zhì)濃度 T熱力學(xué)溫度 R氣體常數(shù) 當(dāng) ，即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力減小 時， 0，為正吸附。 當(dāng) ， 即溶質(zhì)濃度增加，引起表面張力增大 時， 0，為負(fù)吸附。 所謂正吸附就是溶質(zhì)元素在表面上的濃度大于在液體 內(nèi)部的濃度，負(fù)吸附則是溶質(zhì)元素在表面上的濃度小 于在內(nèi)部的濃度。因

17、此，表面活性物質(zhì)具有正吸附作 用；而非表面活性物質(zhì)具有負(fù)吸附作用。 0 d d c 第49頁/共58頁 p r V 4r2dr S 8rdr 2 p r 第50頁/共58頁 n對于任意形狀的彎曲液面，附加壓力可用下式表示： 12 11 ()p rr 式中r1和r2是液體曲面上兩個相互垂直弧線的曲率半徑 如液面凸起(不潤濕)，附加壓力為正值，液面下凹(潤濕)，附加壓力為負(fù)值，如圖所示。 第51頁/共58頁 n造型材料一般不被液態(tài)金 屬潤濕，即90(潤 濕角)。故液態(tài)金屬在鑄型 細(xì)管道內(nèi)的表面是凸起的， 如圖所示，此時產(chǎn)生指向 內(nèi)部的附加壓力： 2cos p r 為了平衡此壓力，由液面的高度差造成的靜壓頭為： p 壓h g 2cos p r 平衡時有： 2cos h g r 2cos h gr 因此，要克服鑄型中由表面張力 引起的附加壓力，必須附加一個 靜壓頭，其值h。表面張力越大，所要求的附加壓頭就越大。管道半徑越小，要求的附加壓頭則越大。 第52頁/共58頁 表面張力產(chǎn)生的原因： 。 第53頁/共58頁 1）表面張力與原子間作用力的關(guān)系：物體內(nèi)部原子間結(jié)合力u0表面內(nèi)能 表面自由能表面張力界面張力與潤濕角： 兩相質(zhì)點間結(jié)合力越大， 界面能越小，界面張力就越??；兩相間結(jié)合力小，界面張力就