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1、材料成形原理材料成形原理林晓娉 教授东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校材料科学与工程系材料科学与工程系一、前言一、铸造的概念和特点一、铸造的概念和特点 铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或其它力力场或其它力力场或其它力力场或其它力(压力、离心力、电磁力等压力、离心力、电磁力等压力、离心力、电磁力等压
2、力、离心力、电磁力等)作用下作用下作用下作用下充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数的制品，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数的制品，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数的制品，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需经机械加工才能成为各种机器铸件用作毛坯，需经机械加工才能成为各种机器铸件用作毛坯，需经机械加工才能成为各种机器铸件用作毛坯，需经机械加工才能成为各种机器零件。但是，随着少余量和无余量铸造方法的发零件。但
3、是，随着少余量和无余量铸造方法的发零件。但是，随着少余量和无余量铸造方法的发零件。但是，随着少余量和无余量铸造方法的发展，有许多铸件无需机械加工即可满足使用精度展，有许多铸件无需机械加工即可满足使用精度展，有许多铸件无需机械加工即可满足使用精度展，有许多铸件无需机械加工即可满足使用精度和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精密和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精密和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精密和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精密铸造）、消失模铸造、压力铸造等铸造）、消失模铸造、压力铸造等铸造）、消失模铸造、压力铸造等铸造）、消失模铸造、压力铸造等配料（固态金属原料）熔炼液
4、态金属浇入铸型冷却脱模、清理合格的毛坯或铸件（固态金属）冲天炉感应电炉电弧炉满足成分、温度等砂型金属型消失模模壳零件材质零件图铸件图铸造工艺设计制模、制芯铸型准备铸造过程流程示意图一、铸造的概念和特点铸造的特点1 适应性强 能铸造小至几克，大至数百吨；壁厚从0.2mm至1m；长度从几毫米至十几米；形状从简单至任意复杂的铸件。也就是说，铸造不受尺寸大小、形状复杂程度的限制。就金属种类而言它适用于各种合金，如常用的铁碳合金(铸铁、铸钢)、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金以及各种难熔合金等2 可以利用某些合金的特性 对于脆性金属或合金，铸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
5、铸铁的切削性、振动吸收性、耐热性、耐磨性；高锰钢的耐磨性等，生产铸件满足使用要求。一、铸造的概念和特点3 3 尺寸精度高尺寸精度高 一般情况下，铸件比锻件、焊接件的尺寸精确，更接一般情况下，铸件比锻件、焊接件的尺寸精确，更接近于零件的尺寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。近于零件的尺寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。4 成本低 铸件在一般机器中占4080的重量，而成本只占机器总成本的2530。成本低的原因是：1)容易实现机械化生产；2)可大量使用废旧金属料；3)与锻造相比动力消耗少；4)尺寸精度高，加工余量小，节约加工工时。5、缺点（1）铸件尺寸均一性差；（2）与压力加工和粉末冶金相
6、比金属的利用率低；（3）内在质量比锻件差；（4）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等2、我国铸造技术的发展我国铸造技术已有5000年的悠久历史铸造技术的成就推动了农业、兵器制造、天文、医药、音乐、艺术等方面的进步人类进化的过程分三个阶段：石器时代（经历300万年）、青铜器时代、铁器时代5000年的铸造技术史大致可分两个大的发展阶段：前2000余年以青铜铸造为主，发展冶铸技术；后2000余年以铸铁为主，推动了铸造技术的发展曾侯乙编钟（战国时期，曾侯乙编钟（战国时期，距今距今2400余年），钟架长余年），钟架长7.48米，宽米，宽3.35米，高米，高2.73米，米，1978年湖北省年湖
7、北省随县擂鼓墩出土，现藏湖随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆。右图为出土北省博物馆。右图为出土现场现场。巧夺天工的曾侯乙尊盘。巧夺天工的曾侯乙尊盘。是一是一件外形美丽、工艺复杂的铸件。件外形美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似象牙雕刻楼空的丛远处望去似象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次和变化近看花，边缘许多层次和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，各又是细长的盘龙上下游弋，各不相连，堪称稀世珍品。不相连，堪称稀世珍品。战国时代的战国时代的“冰箱冰箱”曾侯乙冰鉴曾侯乙冰鉴 明永乐大钟，铸于永乐明永乐大钟，铸于永乐18年前后（公元年前后（公元14181422年），中国现存最大年），中国现存最大的青铜钟。的青铜
8、钟。铜钟通高铜钟通高6.75米，钟米，钟壁厚度不等，最厚处壁厚度不等，最厚处185毫毫米，最薄处米，最薄处94毫米，重约毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，吨。钟体内外遍铸经文，共共22.7万字。铜钟合金成万字。铜钟合金成分为：铜分为：铜80.54、锡、锡16.40、铝、铝1.12，为，为泥范铸造。泥范铸造。现存北京大钟寺现存北京大钟寺。中国五代后周大型铸中国五代后周大型铸中国五代后周大型铸中国五代后周大型铸件。在今河北省沧州件。在今河北省沧州件。在今河北省沧州件。在今河北省沧州市东南市东南市东南市东南2020千米的沧州千米的沧州千米的沧州千米的沧州故城开元寺前。五代故城开元寺前。五代故城开元
9、寺前。五代故城开元寺前。五代后周广顺三年后周广顺三年后周广顺三年后周广顺三年（953953）铸，狮身左）铸，狮身左）铸，狮身左）铸，狮身左肋铸有肋铸有肋铸有肋铸有“山东李云造山东李云造山东李云造山东李云造”五字。五字。五字。五字。铁狮身长铁狮身长铁狮身长铁狮身长5.35.3米，高米，高米，高米，高5.45.4米，宽米，宽米，宽米，宽3 3米，重约米，重约米，重约米，重约4040吨，采用泥范明注吨，采用泥范明注吨，采用泥范明注吨，采用泥范明注式整体铸成。式整体铸成。式整体铸成。式整体铸成。狮身铸有狮身铸有狮身铸有狮身铸有“狮子王狮子王狮子王狮子王”字样，背驮莲座，前胸及臀部字样，背驮莲座，前胸及
10、臀部字样，背驮莲座，前胸及臀部字样，背驮莲座，前胸及臀部饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。沧州铁狮的历史照片湖北当阳铁塔，铸造湖北当阳铁塔，铸造于北宋嘉佑六年（公于北宋嘉佑六年（公元元10611061年），八面十年），八面十三层三层 ，高，高16.94516.945米米,据铭文记载的铁塔重据铭文记载的铁塔重七万六千六百斤七万六千六百斤,当时当时是就地设炉分层铸造是就地设炉分层铸造,采用堆土法而建起来采用堆土法而建起来,各层之间重叠摆放各层之间重叠摆放,没
11、没有焊接有焊接,整个塔身玲整个塔身玲珑隽秀珑隽秀,从上到下从上到下,自自里而外全生铁浇铸里而外全生铁浇铸,仅仅塔刹在塔刹在 清代以青铜重清代以青铜重铸铸.江苏吉鑫风能科技有限公司的展品是目前最大发电功率的3MW轮毂铸件，该产品采用无冒口铸造工艺，可耐-40低温，工艺水平和产品质量均达到了世界领先水平。三峡700MW水轮机组配套的大型水轮机叶片在力学性能、表面质量等方面均达世界一流水平 3 3、铸造在金属加工领域中的地位、铸造在金属加工领域中的地位 铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，铸造生产是获得机械产品
12、毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着相当重要的位置。在许多机械中，铸件重量占整相当重要的位置。在许多机械中，铸件重量占整相当重要的位置。在许多机械中，铸件重量占整相当重要的位置。在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很高，内燃机机重量的比例很高，内燃机机重量的比例很高，内燃机机重量的比例很高，内燃机80%80%80%80%，拖拉机，拖拉机，拖拉机，拖拉机65%-80%65%-80%65%-80%65%-80%，液压件、泵类机械，液压件、泵类机械
13、，液压件、泵类机械，液压件、泵类机械50%-60%50%-60%50%-60%50%-60%。作为我国支柱产业。作为我国支柱产业。作为我国支柱产业。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，其心脏部分正在大力发展的汽车工业，其心脏部分正在大力发展的汽车工业，其心脏部分正在大力发展的汽车工业，其心脏部分发动发动发动发动机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成塞、进气管、排气管等八大件几乎全
14、部由铸造成塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。各种尺寸的高韧性
15、球墨铸铁管。各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。中国和美国中国和美国中国和美国中国和美国1996199620012001年铸件产量（万吨年铸件产量（万吨年铸件产量（万吨年铸件产量（万吨）主要发达国家主要发达国家19962001年铸件产量（万吨）年铸件产量（万吨）2008年世界铸件总产量为年世界铸件总产量为9345万吨，中国为万吨，中国为1700万吨。万吨。其中主要铸件生产国美国、日本、印度均下降。其中主要铸件生产国美国、日本、印度均下降。4、发展趋势（1 1）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附
16、加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品 球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁和蠕墨铸铁在机械产品中广球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁和蠕墨铸铁在机械产品中广泛应用，不断提高高性能铝合金铸件、镁合金铸件、镍合泛应用，不断提高高性能铝合金铸件、镁合金铸件、镍合金铸件，钛合金铸件的用量（金铸件，钛合金铸件的用量（20092009年，我国有色金属铸件年，我国有色金属铸件总产量达到总产量达到335335万万t t，占当年铸件总产量的，占当年铸件总产量的9.5%9.5%）。（2 2）铸造装备升级）铸造装备升级 大容量、专业化、高精度、节能、环保、低噪音方向发展大容量、专业化、高精度、节能、环保、低噪音方向发展
17、（3）企业上规模、上档次、重环保，演绎可持续发展 中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡浙江象山浙江象山浙江象山浙江象山 模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业271271271271家，从业家，从业家，从业家，从业人员人员人员人员8000800080008000余人。经过余人。经过余人。经过余人。经过30303030年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具年的艰苦创业，已经成为名副其
18、实的铸造模具年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具的生产基地。据统计，象山的铸造模具已经占据了全国的生产基地。据统计，象山的铸造模具已经占据了全国的生产基地。据统计，象山的铸造模具已经占据了全国的生产基地。据统计，象山的铸造模具已经占据了全国60%60%60%60%以上的市以上的市以上的市以上的市场份额，年总产值超过场份额，年总产值超过场份额，年总产值超过场份额，年总产值超过11.511.511.511.5亿元，利税亿元，利税亿元，利税亿元，利税2.42.42.42.4亿元。亿元。亿元。亿元。中国压铸产业基地中国压铸产业基地中国压铸产业基地中国压铸产业基地浙江宁海县浙江宁海县浙江宁海县浙江宁
19、海县 宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有300300300300多家，呈现以下四大特点：一是产业配套多家，呈现以下四大特点：一是产业配套多家，呈现以下四大特点：一是产业配套多家，呈现以下四大特点：一是产业配套一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物
20、宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现代化压铸产业园，到流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现代化压铸产业园，到流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现代化压铸产业园，到流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现代化压铸产业园，到2015201520152015年，年，年，年，力争压铸行业总产值达到力争压铸行业总产值达到力争压铸行业总产值达到力争压铸行业总产值达到150150150150亿
21、元。亿元。亿元。亿元。中国铸造之乡中国铸造之乡中国铸造之乡中国铸造之乡章丘章丘章丘章丘 章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业126126126126家，资产总额已超过家，资产总额已超过家，资产总额已超过家，资产总额已超过50505050亿元，年生产能力亿元，年生产能力亿元，年生产能力亿元，年生产能力90909090万万万万t t t t，主要生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机，主要生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机，主要生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机，主要生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机壳、罗茨鼓
22、风机壳、铁路配件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡壳、罗茨鼓风机壳、铁路配件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡壳、罗茨鼓风机壳、铁路配件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡壳、罗茨鼓风机壳、铁路配件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡发动机铸件产量占全国总产量的发动机铸件产量占全国总产量的发动机铸件产量占全国总产量的发动机铸件产量占全国总产量的30%30%30%30%，重卡排气管铸件产量占全国的，重卡排气管铸件产量占全国的，重卡排气管铸件产量占全国的，重卡排气管铸件产量占全国的40%40%40%40%。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的铸造基地。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的铸
23、造基地。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的铸造基地。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的铸造基地。耐磨铸件生产、研发和出口基地耐磨铸件生产、研发和出口基地耐磨铸件生产、研发和出口基地耐磨铸件生产、研发和出口基地 安徽宁国安徽宁国安徽宁国安徽宁国 宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到80808080万万万万t t t t，从业人员近万人，从业人员近万人，从业人员近万人，从业人员近万人，2009 2009 2009 2009年年年年全市耐磨铸件产值达到全市耐磨铸件产值达到全市耐磨铸件产值达到全市耐磨铸件产值达到414
24、14141亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近21%21%21%21%。第一章 液态金属的结构和性质东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校材料科学与工程系材料科学与工程系材料成形原理材料成形原理 林晓娉林晓娉 教授教授本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：1 1、液态金属的结构、液态金属的结构 2 2、液态金属的性质、液态金属的性质 3 3、液态金属的流动性与充型能力、液态金属的流动性与充型能力 人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，
25、目前仍没有成熟的理论人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论模型给予液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多模型给予液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多模型给予液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多模型给予液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多瞩目的阶段性成就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的瞩目的阶段性成就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的瞩目的阶段性成就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的瞩目的阶段性
26、成就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的突破。突破。突破。突破。第一章第一章第一章第一章 液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质1.11.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.2 1.1.2 金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀 物质是由原子构成的，原子之间存在着相互作用力，即库仑引力和库仑斥力，如图1-1所示。当原子间的距离为R0时，原子受到的引力与斥力相等，处于平衡状态，而向左和向右运动都会受到一个指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附
27、近做简谐振动，维持晶体的固定结构。图1-1 原子间的作用力 1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.2 1.1.2 金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀 当温度升高时，原子振动能量增加，振动频率和振幅增大。以双原子模型为例，假设左边的原子被固定不动而右边的原子是自由的。则随着温度的升高，原子间距将由R0R1R2R3R4；原子的能量也不断升高，由W0W1W2W3W4。原子间距随温度升高而增加，即产生膨胀，如图1-2所示。膨胀只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。图图1-2 加热时原子间距和加热时原子间距和 原子势垒的变化原子势垒的变化1.1固
28、态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.3 1.1.3 金属的熔化金属的熔化金属的熔化金属的熔化若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某一数量
29、值时，以致一些原子能脱离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，一数量值时，以致一些原子能脱离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，一数量值时，以致一些原子能脱离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，一数量值时，以致一些原子能脱离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可出现相对流动，称为导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可出现相对流动，称为导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可出现相对流动，称为导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可出现相对流动，称为晶界流动。此时，金属处于熔化状态。晶界流动。此时，金属处于熔化状态。晶界流动。此时，金属处于熔化状态。晶界流动。此时，金属处于
30、熔化状态。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繁。晶粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、更频繁。晶粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、更频繁。晶粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、更频繁。晶粒进一步瓦解成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时而分散的原子集团、游离原子和空穴。此时，
31、金属从固态转变为液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。金属由固态变成液态，体积膨胀约态。金属由固态变成液态，体积膨胀约态。金属由固态变成液态，体积膨胀约态。金属由固态变成液态，体积膨胀约3%53%5。而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变成液态过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的成液态过程中
32、，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的成液态过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的成液态过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热熔点。金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热熔点。金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热熔点。金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。量，称为熔化潜热。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。量，称为熔化潜热。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。量，称为熔化潜热。实验证明，金
33、属的熔化是从晶界开始的。1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.3 1.1.3 金属的熔化金属的熔化金属的熔化金属的熔化l l固态金属的加热熔化完全符合热力学条件。外界提供固态金属的加热熔化完全符合热力学条件。外界提供的热能，除因原子间距增大、体积膨胀而做功外，还的热能，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增加体系的内能。在恒压下存在如下关系式 EqEq=d(U-PV)=dU-pdv=dH (1-1)=d(U-PV)=dU-pdv=dH (1-1)式中，式中，EqEq为外界提供的热能；为外界提供的热能；U U为内能；为内能；p
34、pd dV V为膨胀功；为膨胀功；d dH H为热焓的变化即熔化潜热。为热焓的变化即熔化潜热。l l在等温等压下，由式在等温等压下，由式(1-1)(1-1)得熔化时熵值的变化为得熔化时熵值的变化为 (1-2)(1-2)d dS S值的大小描述了金属由固态变成液态时，原子由规值的大小描述了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。则排列变成非规则排列的紊乱程度。1.2 1.2 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构分析液态金属的结构分析液态金属的结构分析液态金属的结构分析(表观特征表观特征表观特征表观特征)下一内容下一内容回主目录回主目录 具有流动性具有流动性具有流动性具
35、有流动性 （液体最显著的性质）（液体最显著的性质）（液体最显著的性质）（液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形 状状状状 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体 的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子
36、之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面具有自由表面具有自由表面具有自由表面 （类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气 体）体）体）体）；液体可压缩性很低液体可压缩性很低液体可压缩性很低液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气 体）。体）。体）。体）。表表表表观观观观特特特特征征征征液体结构液体结构液体性质液体性质 物理性质：密度、黏度、电导率
37、、热导率和扩散系数等物理性质：密度、黏度、电导率、热导率和扩散系数等 物理化学性质：等压热熔、等容热熔、熔化和汽化潜热、物理化学性质：等压热熔、等容热熔、熔化和汽化潜热、表面张力等表面张力等 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数等热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数等液态金属结构的研究方法液态金属结构的研究方法 间接方法：即通过固态间接方法：即通过固态液态、固态液态、固态气态装变后气态装变后 一些物理性质的变一些物理性质的变 化判断液态原子结合状况；化判断液态原子结合状况；直接方法：直接方法：X X射线衍射分析，研究液态金属的原子排列情况射线衍射分析，研究液态金属的原子排列情况.1.2.1 1.2
38、.1 从物质熔化过程对液态金属结构的认识从物质熔化过程对液态金属结构的认识对对对对比比比比研研研研究究究究 体积和熵值的变化体积和熵值的变化体积和熵值的变化体积和熵值的变化 表表表表1-11-1某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。物质熔化时体积变化物质熔化时体积变化物质熔化时体积变化物质熔化时体积变化熵变熵变熵变熵变(及焓变及焓变及焓变及焓变)一般均不大：金属熔化时一般均不大：金属熔化时一般均不大：金属熔化时一般均不大：金属熔化时典型的体积
39、变化（多为增大）为典型的体积变化（多为增大）为典型的体积变化（多为增大）为典型的体积变化（多为增大）为33%左右。表明液体的原子间左右。表明液体的原子间左右。表明液体的原子间左右。表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体。小于气体。小于气体。小于气体。熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热 表表表表1-21-2为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和
40、汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。一般熔化潜热只一般熔化潜热只一般熔化潜热只一般熔化潜热只有汽气化潜热的有汽气化潜热的有汽气化潜热的有汽气化潜热的37%,37%,固固固固液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限,液态和固液态和固液态和固液态和固态的结构是相似的态的结构是相似的态的结构是相似的态的结构是相似的。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录图图1.2.2 X射线衍射对液态结构分析液态与固态、气态结构比较及衍射特征液态与固态、气态结构比较及衍射特征晶体：平移、对称特征（长程有序）晶体：平移、对
41、称特征（长程有序）原子以一定方式原子以一定方式 周期排列在三维空间的晶格节点上，同时原子以某周期排列在三维空间的晶格节点上，同时原子以某 种模式在平衡位置上做热振动。种模式在平衡位置上做热振动。气体：完全无序为特征气体：完全无序为特征分子不停的作无规则运动。分子不停的作无规则运动。液态：？液态：？液态金（液态金（AuAu）的）的X X射线衍射图像射线衍射图像-显示出一个漫射的显示出一个漫射的衍射环，这说明在液态金中存在一些紊乱分布的原子，造衍射环，这说明在液态金中存在一些紊乱分布的原子，造成对成对X X射线的散射。射线的散射。固态金（固态金（AuAu）的）的X X射线衍射图像射线衍射图像-为分
42、布规则的亮斑为分布规则的亮斑（点），显示出了从特点晶面反射相一致的衍射斑。（点），显示出了从特点晶面反射相一致的衍射斑。（1 1）比较液态金比较液态金-固态金的固态金的X X射线衍射强度射线衍射强度 由图可知，图中液态金有两个明显的强度突峰，他们和固体由图可知，图中液态金有两个明显的强度突峰，他们和固体金的衍射强度位置一致金的衍射强度位置一致。（2 2）液态金的径向分布密度（偶分布函数）液态金的径向分布密度（偶分布函数）偶分布函数偶分布函数g(r)g(r)的物理意义：离开参考原子（处于坐标原点的物理意义：离开参考原子（处于坐标原点r=0r=0）距离为）距离为r r位置的数密度位置的数密度（r
43、r）对于平均数密度）对于平均数密度 0 0(=N/V)(=N/V)的相对偏差的相对偏差 。（r r）=0 0 g(r)g(r)当（距参考原子的距离）小于原子半径，由于原子斥力，当（距参考原子的距离）小于原子半径，由于原子斥力，使使（）=0=0当（距参考原子的距离）较大（当（距参考原子的距离）较大（，(r)(r)（液（液态金的容积密度，表示较大体积中，原子的平均密度，相态金的容积密度，表示较大体积中，原子的平均密度，相当于非晶态）。当于非晶态）。这说明，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态这说明，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态相似；而在远距离范围内就缺乏有序排列了。相似；而在远距离
44、范围内就缺乏有序排列了。平均原子间距：对液态，对应于平均原子间距：对液态，对应于g(r)g(r)第一峰的位置，第一峰的位置，r=rr=r1 1表表 示参考原子至其周围第一配层各原子的平示参考原子至其周围第一配层各原子的平 均原子间距。均原子间距。利用利用X X射线衍射资料绘制射线衍射资料绘制 图像图像 得出等同配排列（等同距离）壳层中的实际原子数目得出等同配排列（等同距离）壳层中的实际原子数目-（配位（配位数）数）参考原子rdr-为至所选定原子的距离。从三维空间说，相当于一所选定原子为中心的一系列球体的半径。-密度函数 -表示围绕所选定原子的半径为r,厚度为dr的一层球壳层中的原子数的多少。第
45、一个等同配位壳层中的原子数目实 际上就是液态金属的配位数。配位数=为一个单峰的外推边界r1 r2液态铝的径向密度 右图为700时液态Al中原子分布曲线。柱状线表示固态柱状线表示固态Al中原子的分布规律。中原子的分布规律。固态固态铝中的原子位置是固定的，在平衡位置附近作热铝中的原子位置是固定的，在平衡位置附近作热振动，故球壳上的原子数显示出是某一固定的数振动，故球壳上的原子数显示出是某一固定的数值，呈现一条条的柱状线。每一条柱状线都有明值，呈现一条条的柱状线。每一条柱状线都有明确的位置和高度值确的位置和高度值(原子数原子数)。若若700液体铝是理想的均匀非晶态液体，液体铝是理想的均匀非晶态液体，
46、则其原子分布为抛物线。则其原子分布为抛物线。实际的实际的700液体铝的原子分布为一条有多液体铝的原子分布为一条有多个峰谷的曲线，是连续非间断的。曲线的第一个个峰谷的曲线，是连续非间断的。曲线的第一个峰值和第二个峰值接近固态时柱状线的高度值峰值和第二个峰值接近固态时柱状线的高度值(原原子数子数)，此后就接近于理想液体的原子平均密度分，此后就接近于理想液体的原子平均密度分布曲线了。这说明原子已无固定的位置，是瞬息布曲线了。这说明原子已无固定的位置，是瞬息万变的。液态铝中原子的排列在几个原子间距的万变的。液态铝中原子的排列在几个原子间距的范围内，与固态铝原子的排列方式基本一致，而范围内，与固态铝原子
47、的排列方式基本一致，而远离选定原子后就完全不同于固态了远离选定原子后就完全不同于固态了。图1-3 700时液态Al中原子分布曲线1-实际液态铝原子分布2-理想液态铝原子分布3-固态铝的原子分布 固态金属中原子的停留时间长，衍射结果将得到一条条清晰的线，每固态金属中原子的停留时间长，衍射结果将得到一条条清晰的线，每条线都有明确的位置条线都有明确的位置(r)和峰值和峰值(原子数原子数)液态金属中除热振动外，尚有激烈的瞬息万变的跳跃，每个原子没有固液态金属中除热振动外，尚有激烈的瞬息万变的跳跃，每个原子没有固定的位置，故衍射结果为一条条带，其峰值位置表示在衍射过程中相邻原定的位置，故衍射结果为一条条
48、带，其峰值位置表示在衍射过程中相邻原子间最大几率的原子间距。子间最大几率的原子间距。由图可见，液态金属的原子分布曲线波动于平均密度曲线由图可见，液态金属的原子分布曲线波动于平均密度曲线4 r2 0的上的上下，其第一个峰值位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近。第二峰下，其第一个峰值位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近。第二峰尚略可见，而在距选定原子不太远的距离尚略可见，而在距选定原子不太远的距离(10埃埃)时它与平均密度线相重，时它与平均密度线相重，即此处的原于排列已无序了。即此处的原于排列已无序了。这些结果说明：液态金属中原子的排列在几个原于间距的范围内，与这些结果说明：液态金属中原子
49、的排列在几个原于间距的范围内，与其固态的排列方式基本其固态的排列方式基本致。但由于原子间距的增大和空穴的增多，原于致。但由于原子间距的增大和空穴的增多，原于的配位数略有变化的配位数略有变化(如下表如下表)。此外还可以看到原予的热运动大为增强。此外还可以看到原予的热运动大为增强。BACK金属金属金属金属液液液液态态态态固固固固态态态态温度温度温度温度/原子原子原子原子间间间间距距距距/nm/nm配位数配位数配位数配位数原子原子原子原子间间间间距距距距/nm/nm配位数配位数配位数配位数LiLi4004000.3240.32410100.3030.3038 8NaNa10100.3830.3838
50、 80.3720.3728 8AlAl7007000.2980.298101110110.2860.2861212KK70700.4640.4648 80.4500.4508 8ZnZn4604600.2940.29411110.2650.265、0.2940.2946+66+6CdCd3503500.3060.3068 80.2970.297、0.3300.3306+66+6SnSn2802800.3200.32011110.3020.302、0.3150.3154+24+2AuAu110011000.2860.28611110.2880.2881212BiBi3403400.3320.33