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第1章 液态金属的结构和性质

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第1章 液态金属结构与性质

第1章 液态金属结构与性质
《材料成形基本原理》(3Ed-2016)
普通高等教育“十二五”国家级规划教材
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课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛
下篇 陈文琳
合肥工业大学
普通高等教育“十二五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》（第3版）
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第一节 引言 第二节 液态金属的微观结构
第三节 液态金属的性质
它们的综合作用即为两原子 间的相互作用力F（合力）。
两个原子的相互作用势能
W(R)的曲线如图b所示
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普通高等教育“十二五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》（第3版）
当R→∞时， F→0。 当两原子靠近时，原子间产生吸引力
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双原子模型
(合力 F<0 )增大，到达R=R1时，F为最
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偶分布函数 g(r)
物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几
率。 换言之，表示离开参考原子（处于坐标原点r = 0）距离为
r 位置的原子数密度 ρ(r) 对于平均数密度ρo（=N/V）的相对 偏差。
ρ(r) = ρo g (r)
图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
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普通高等教育“十二五”国家级规划教材
《材料成形基本原理》（第3版）
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液 体 性 质
物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散
系数等；
物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气 化潜热、表面张力等；
热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。
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液态金属的结构和性质

液态金属的结构和性质
第一章 液态金属的结构和性质
1.液态成形：是液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求的毛坯或零件的工艺技术。
2.晶界粘滞流动：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动。(金属的熔化变为同温度的液态金属时，金属要吸收大量的热量(金属由固态变为液态，体积膨胀约为3~5%)。
8.粘度在材料成形过程中的影响。
A．对液态金属净化的影响-粘度↑杂质和气泡上升的速度↓
B．对液态合金流动阻力的影响-粘度↑流动阻力↑
C．对液态过程中液态合金对流的影响-粘度↑对流强度↓
9.表面张力：液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力。
10.影响表面张力的因素：
A．熔点。熔点↑原子间结合力↑表面张力↑
B．温度。温度↑表面张力↓（但对铁碳合金、铜合金，温度↑表面张力↑）
C．溶质原子 表面活性元素，使表面张力↓非表面活性元素，使表面张力↑
11.充型能力mold-filling capacity：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力(充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果)
12.液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力。
4.在熔点和过热度不大时，液态金属的结构是接近固态金属而远离气态金属的。
5.液态金属：是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡所组成的“混浊”液体。
6.粘度（粘滞性）：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动的性质。
7.粘滞性的本质：原子间结合力的大小。

第一章液态金属的结构和性质

第一章液态金属的结构和性质

Ws Wα −α + Wβ − β = − Wα − β = σ α − β 2 2
由于Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ，代入上式，则：
σ α − β = σ α + σ β − Wα − β
由此可见，形成α-β界面所作的功Wα-β越大， 则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力越 大，则界面能越小。
f 层＝ 32 32η = Re Dνρ
0.092
f 紊＝
0.092 Re
0.2
＝
(Dvρ)
0.2
η0.2
f为流体流动时的阻力系数
所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一 般为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中， 则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
2）粘度在材料成形中的意义 ③对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度越大对流强度越小
第一章 液态金属的结构和性质 1.1 材料的固液转变
1、相变 气体
化 升 凝 化
蒸 结
凝
发
固体
熔化 凝固
液体
相变化过程：液体蒸发、气体凝聚、多晶转变。一定条件 下相之间的转变过程。即：相变过程。 相平衡；多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度 相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。
金属由液态转变 为固态的过程。
d.合金元素和夹杂物
表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高
2）粘度在材料成形中的意义 ①对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡） 运动粘度:
η ν= ρ
动力粘度除以密度
运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流 动。如浇铸系统的计算 动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如 夹杂的上浮和凝固补缩

金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)

金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)

1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
1.1.2 液态金属结构
例-[铸铁]
铸铁是含铁、碳、硅、锰、硫等元素的复杂多元合金；
1.2 液态金属的性质
黏度 表面张力
1.2.1 黏度
定义
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-毛细管法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡容器法（扭摆法）
1.2.1 黏度
1.4.1 半固态铸造
1.4.1 半固态铸造
1.4.2 半固态金属的流变性
对于非牛顿流体，根据其切应力与速度梯度之间的关 系，有宾汉体（Bingham Body）、开尔文体（Kelvin Body）、麦克斯韦体（Maxwell Body）、施韦道夫体 （Schwedoff Body）等类型。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
[导入案例]
众所周知，世界上所有 的元素或化合物均以固 体、液体或气体的形式 存在，其存在方式取决 于温度和压力条件；
1.1 液态金属的结构
熔化过程
固相→液相的相变； 两种观点
（1）认为金属固→液转变是通过单个原子间的分离途径来实现 的，即有规则排列的固相晶体直接分裂成单独的原子；
测量方法 （1）座滴法

材料成型理论基础练习题上解读

材料成型理论基础练习题上解读

第1章 液态金属的结构与性质1.液体原子的分布特征为 无序、 有序，即液态金属原子团的结构更类似于 。

2.实际液态金属内部存在 起伏、 起伏和 起伏 。

3.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 比。

衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越 。

4.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力 ，就润湿，润湿角 ；而两种物质原子间的结合力 ，就不润湿，润湿角 。

5.影响液态金属表面张力的主要因素是 ， ，和 。

6.钢液中的MnO ，当钢液的温度为1550℃时，3/0049.0m s N⋅=η，3/81.97000m N g ⨯=液ρ，3/81.95400m N g ⨯=杂ρ，对于r=0.0001m 的球形杂质，其上浮速度是多少？参考答案：0.0071m/s7.影响液态金属充型能力的因素可归纳为 合金本身性质 、 铸型性质 、 浇注方面 、 铸件结构方面 四个方面的因素。

8.影响液态金属黏度的因素有 合金成分 、 温度 、 非金属夹杂物 。

9.合金流动性：合金本身的流动能力；充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。

10.液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的充型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。

而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。

提高液态金属的充型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L 要大；③比热、密度大，导热率小;④粘度、表面张力小。

（2）铸型性质方面：①蓄热系数小；②适当提高铸型温度；③提高透气性。

（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。

（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。

液态金属的结构与性质

液态金属的结构与性质

2.4
-2.9 7.5 14.4 8.7
13.8
18.5 2.7 3.36 2.47
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
Element
Al

(Hb /
Tm (0C)
660
Hm (kcal/mol)
2.50
Tb (0C)
2480
Hb (kcal/mol)
69.6
Hb / Hm
27.8
②A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;
③假如B-B结合力>A-A及A-B：吸附甚至分层；
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 1)合金多； 2)原材料中存在多种杂质； 3)工艺上造成；
实际金属在微观上是由成分和结构不同的游 动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液 态的化合物组成，是一种“浑浊”液体。
※对流强度：格拉晓夫数
ＧrＴ＝ｇβ
动力黏度越 大，则对流 强度越小
３△Ｔ／η L Ｔ ３ △C／η L ｃ
２
Ｇrｃ＝ｇβ
２
βＴ、βｃ分别为由温差和浓度差引起的金属液体积膨胀 L水平方向上热端到冷端距离的一半宽度。
液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的聚合沉浮有重要影响。
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的黏度
“结构起伏”
“能量起伏”
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 杂质原子 量大 种类多 分布不均 存在方式不同
原子间结合力不同，产生的起伏
结构起伏
浓度起伏
能量起伏Βιβλιοθήκη “能量起伏” “结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的 局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏

液态金属的结构

液态金属的结构

6
Structure and Properties
of Liquid Metals
二
在
在固态
第一章液态金属的结构与性质研究方法
液态金属电阻加大，因原子热振动振幅增大，结构无序性加大；
气、液、固相比较，液态金属结构更接近
衍射图
17液态金属的结构与性质图1-1 700℃液态铝中原子
密
度分布线固态金属：原子在
某一平衡位置热振
动，因此衍射结果
得到的原子密度分
布曲线是一组相距
第一章液态金属的结构与性质20
液态金属的结构与性质其第一峰值与固态时的衍射线（位数与固态时相当。

第二峰值虽仍较明显，但与固
时的峰值偏离增大，而且随
r 的增大，峰值与固态时的偏
也越来越大。

当它
定邻
近。

材料成型基本原理完整版

材料成型基本原理完整版

第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。

Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。

层流比紊流消耗能量大。

2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。

润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。

3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。

4充型能力：充型过程中，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充型能力。

5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。

化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。

6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。

能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。

结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。

浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。

第1章液态金属的结构和性质

第1章液态金属的结构和性质

什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。

1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多

3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低


二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于 原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化， 热运动增强。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。

第1章—— 液态金属的结构与性质-2012

第1章—— 液态金属的结构与性质-2012

流体力学的斯托克斯公 式
2 g r 2 m B 9
(使用条件： Re
2r 1)
可见，粘度η 较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，会影响精 炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除， 易形成夹杂或气孔 4、影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：在铸造合金熔炼及 焊接过程中，冶金化学反应均是在金属液与熔渣的界面进行 的，金属液中的杂质元素及熔渣中反应物要不断向界面扩散， 同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。这些反 应过程的动力学受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩 散速度的影响，而金属液和熔渣中的动力学粘度η 低则有利 于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素
（3）η 与温度T 的关系：受两方面（正比的线性关系和负的指 数关系）共同制约，但总的趋势随温度T 而下降（见下图） 实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加 剧，原子间距随之而增大，因此η 会随之下降
虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
以某种模式在平衡位臵作热振动（远程有序）
气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大 得多，空间分布上表现为完全无序
液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对 称性（长程无序），相对于气体，表现为短程有序
g(r)
g (r)
2 1 ao
气 气体 体
a）
r
a0-气体中粒子的平均自由程
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（见书 中表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大 于固体而远小于气体

液态金属的结构与性质

液态金属的结构与性质

影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中 的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池 中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固 前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性
粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒 细化效果；减轻区域偏析
④对液态金属净化的影响
※斯托克斯公式： Ｖ＝２g(ρ液-ρ杂)r２/9η
仅当ρ杂≤ρ液，夹杂才能上浮，η越大，夹杂 及气泡越难以排除
粘度对成形质量的影响
• 影响铸件轮廓的清晰程度； • 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； • 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： • 对焊缝的质量的影响。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响
意义：N1 与 r1 均描绘了液体的原子排布情况
二、 由物质熔化过程认识液体结构
表 表 1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS 明
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
液
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
2.6
7.03
体
Sc
bcc
302
四、 液态金属的结构特征
“能量起伏” —原子间能量不均匀性 • “结构起伏”—液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 • “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间
的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子 容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表 现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。
S S
表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现 象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理 概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。

液态金属的结构和性质

液态金属的结构和性质
间接法：即测定对结构敏感的物性，如密度、 黏度和电阻率等，然后根据敏感物性推断金属
液态结构的变化。
1.1.1液体与固体、气体结构比较及衍射特征
晶体： 平移、对称性特征（长程有序）
—— 原子以一定方式周期排列在三维空间 的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡 位置上作热振动 气体：
完全无序为特征 —— 分子不停地作无规律运动
Y
dVX/dy—表示沿Y方向的速度梯度。
外力作用于液体表 面各原子层速度
通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律， 被称为牛顿液体。
粘度的物理意义：是促使流体流动产生单位速
度梯度的剪应力。
d x
dy
液体黏度量纲为[M/LT]，常用单位为 Pa·S 或 mPa·S。
2、影响黏度的因素
富林克尔表达式（黏度表达式）：
第1章 液态金属的结构与性质
本章主要内容
1.1 液态金属的结构 1.2 液态金属的性质 1.3 液态金属的充型能力
1.1 液态金属的结构
1.1.1 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 1.1.2 由物质熔化过程认识液态金属的结构 1.1.3 液态金属结构的理论模型
液态金属结构 是指在液态金属中原子或离子 的排列或分布的状态。
表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。
稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的 径向分布函数（RDF）
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳 层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积；
rm
N1 4 0g(r)r 2dr
r0
N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数， 因为它们描绘了液体的原子排布情况。

第1章——液态金属的结构与性质-2014详解

第1章——液态金属的结构与性质-2014详解

熔化潜热——指当物质加热到熔点后，从固态变为液态或由 液态变为固态时吸收或放出的热量
结晶潜热——在温度保持不变的情况下，单位质量的物质从 液态转变到固态时所释放出的热量
气化潜热——常压下，单位质量的物质在一定温度下由液态 转换成气态所需的热量
汽化潜热——即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽 化过程中所吸收的热量。汽化分两种，蒸发和 沸腾。两者都吸热，蒸发只在液体表面，而沸 腾是液体的内部和表面同时进行的
三、实际金属的液态结构
四、液态金属结构的理论模型 五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
了解
一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征
（一）液态与固态、气体结构比较
晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）
气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大 得多，空间分布上表现为完全无序
液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对 称性（远程无序），相对于气体，表现为近程有序
（二）液态与固态、气体的衍射特征
图 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
举例：液态和固态Au的X射线衍射图像
1、液态Au的X射线衍射图像显示出一慢射的衍射环，表明在液态Au中存 在一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射
三、实际金属的液态结构
理想纯金属液态结构 能量起伏和结构起伏
实际纯金属液态结构 存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金）液态结构 存在第二组元时，表现为能量起伏、 结构起伏和浓度起伏
实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替

第一章 液态金属的性质

第一章 液态金属的性质

3、位错模型
在特定的温度以上，在低温条件下，不含位错的 固体点阵结构由于高密度位错的突现而变成液体。 高位错密度的引入能很好的解释液态金属不具有 长程有序性，具有流动性，粘滞系数、原子扩散 系数，晶体生长等方面现象。
4、综合模型
“能量起伏”和“结构起伏”。
（三）液体结构及粒子间相互作用的理论描 述
三、实际金属的液态结构
实际金属合金的液体结构存在三种起伏： 能量起伏：表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团 间尺寸不同 结构起伏：表现为原子团的尺寸及内部原子数量都随时间和 结构起伏 空间发生改变 浓度起伏：表现为各个原子集团之间的成份不同 以金属中存在第二种原子为例说明： A、B两种原子 A-B原子结合力较强—形成稳定化合物 A-B原子结合力非常强—形成稳定相 同类原子（B-B）结合力＜（A-A及其A+B）时，A-A原子易 聚在一起，把B原子排挤在集团外围或液体界面上
扩散系数 物理化学性质：等压热容、等容热 容、熔化和气化潜热 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压 缩系数
人们对液体结构和性质的认识
第2节 液态金属的结构
一、液体与固体、 气体结构比较及 衍射特征
气体、液体、非晶及晶态固体结构 特点及衍射特征
Chart Documents
二、由物质熔化过程 认识液态金属结构
∆F σ= ∆S
J Nm N [σ ] = 2 = 2 = m m m
表面张力：单位长度上作用的力 表面自由能：单位面积上的自由能
界面张力： 界面张力：所有界面上存在的表面张力 表面、界面的差别： 表面、界面的差别：界面泛指两相间界面；表面指液体 （固体）与气体之间的交界面 １）界面张力与两相质点结合力的关系 当两个相组成一个界面时，其界面张力与两相质点间的 结合力成反比。下图为形成两个界面过程示意图：

第一章 液态金属的结构与性质

第一章 液态金属的结构与性质

其第一峰值与固态时的衍射线 （第一条垂线）极为接近，其配位数 与固态时相当。 第二峰值虽仍较明显，但与固态 时的峰值偏离增大，而且随着r的增大， 峰值与固态时的偏离也越来越大。 当它与所选原子相距太远的距离 时，原子排列进入无序状态。 表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范 围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间 距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。 b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。 液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高
粘度的本质：原子间的结合力
c.温度T.
总的趋势：随温度T的升高而下降 •由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而2τ0KT /δ3项则与 d.合金元素和夹杂物 温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增 高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数 表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高 项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线增加（正比）。 （显然，这种情况已是接近气态了。）
图1-2 700℃液态铝中原子密 度分布线
对于固态金属而言，原子在某一平衡位置热振 动，因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一 组相距一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂 线都有确定的位置r和峰值。但对于液态金属而言， 原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。 这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变 的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频 率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应 的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最 大几率的原子间距。
凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即 气态、液态和固态。在一定的条件下，物 质可以在三种状态之间转变。物质从液态 转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观 上的定义。从微观上看，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。

铸件形成理论复习题

铸件形成理论复习题

镇江丹徒职教中心金属液态形成原理复习题第1章液态金属的结构和性质一、判断题（正确的在括号中画√，错误的画×）1、只要金属流动性好，铸件就不会产生浇不足缺陷。

（×）2、金属一熔化，原子间的结合就全部破坏。

（×）3、温度起伏是指铸件各处温度的差异。

（×）4、钠可以很好地吸附于硅的表面，所以说“钠是表面活性元素”。

（×）二、选择题1、影响液态金属粘度的因素主要有温度、化学成分和杂质。

2、在弯曲液面上作用有附加压力，当液面为球形时，该压力可表示为p=2σ/r。

3、温度接近熔点的金属液，其结构类似于固态的结构。

4、液态金属的平均间距比固态稍大 ,其配位数比固态要小。

5、纯金属的表面张力一般随温度的升高而减小，而灰铸铁的表面张力则相反。

6、使用黑烟涂料是为了调整铸型的热阻，从而改变液态金属流动时间以提高充填能力。

三、问答题1、液态金属的表面张力有哪些影响因素？试总结它们的规律。

2、总结温度、原子间距（或体积）、合金元素或微量元素对液体粘度 高低的影响。

第2章液态金属的流动性与充型能力一、判断题1、金属液本身的流动能力称为充型能力。

（×）2、金属液的充型能力仅与金属液的化学成分、温度、杂质含量及物理性质有关。

（×）二、问答题1、影响液态金属充型能力的因素有哪些？如何提高液态金属的充型能力？2、某飞机制造厂的一牌号Al-Mg合金（成分确定）机翼因铸造常出现“浇不足”缺陷而报废，如果你是该厂工程师，请问可采取哪些工艺措施来提高成品率？3、铸型蓄热系数（b）较小时，在其它条件不便的情况下，定性指出对下列项目的影响：2①充型能力②铸件形成机械粘砂③使铸件的断面温度梯度④使铸件凝固方式⑤铸件形成缩松⑥铸件的热应力第3章铸件的凝固一、判断题1、安放冒口一般应遵循顺序凝固原则。

（√）2、铸件的凝固方式主要取决于合金本身特性，与其它条件则影响不大。

（×）（温度梯度）3、金属凝固温度低，铸型蓄热系数也小时，铸件内温度梯度也小。

第一章液态金属的结构和性质

第一章液态金属的结构和性质

第一章液态金属的结构和性质液态金属是一种特殊的物质状态，在一定温度范围内具有液态的流动性，同时又具有金属的特性。

它的结构和性质在科学研究和工业应用中具有重要意义。

本文将从液态金属的结构和性质两个方面进行详细讨论。

液态金属的结构是相对复杂的。

在室温以下，金属一般为固态，其原子间有规则的排列方式。

而当温度升高超过金属的熔点时，金属开始熔化并转变为液态。

一般来说，液态金属的原子结构呈现较高的无序性，原子间的距离近似相等。

在液态金属中，原子之间通常存在一定的空隙，这使得金属呈现一种流动性，可流动性是液态金属的显著特征之一、此外，由于液态金属的无序性，其结构中也可能存在一些凝结核心，例如小的团簇或者局部有序结构。

液态金属的结构和性质的研究表明，液态金属结构的演变与固态金属之间存在一定的关联性，在固态金属中形成的晶体缺陷或者凝聚核心在液态金属中可能会得到进一步的发展或者形成新的相态。

液态金属的性质一方面受金属原子特性的影响，另一方面受到液体状态的因素的影响。

由于金属原子之间的金属键较为强大，在液态金属中，金属具有良好的导电性和导热性。

液态金属中的离子与自由电子相互作用，使电子在金属内部自由传导，并且电流可以在金属中流动。

这种导电性使得液态金属在电子设备、导线等领域具有广泛的应用。

同时，由于金属原子的性质，液态金属具有良好的可塑性和可变形性，可以在一定温度范围内通过加热和冷却来调节液态金属的形状和结构。

这种可塑性使得液态金属在制备复杂金属结构，例如凸轮、导柱等方面有广泛的应用。

此外，液态金属还具有较低的粘度和表面张力，使得液态金属具有较好的流动性。

液态金属在受到外力作用下可迅速流动和扩散，这对于一些需要快速制备金属材料或者形状复杂的金属产品非常有价值。

比如，液态金属可以用于制备3D打印的金属材料，通过快速冷却可以制造出复杂形状的金属产品。

此外，液态金属还具有很好的耐高温性能和化学惰性，可用于制备高温工艺设备和化学容器。

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液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、
变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对 凝固过程产生重大的影响。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
§1-1
材料的固液转变
H2O的 “三态”转变
图1-2 H2O的压力－温度相图
纯 铁 的 “ 三 态 ” 转 变
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材料成型原理——液态成形
液体的表观特征
• 具有流动性 （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状 （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）
• 具有自由表面 （类似于固体，不同于气体）； • 液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。
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1、粘度
§１-3 液态金属的性质
（一）粘度的实质及影响因素
当外力F（X）作用于液态表面
时，其速度分布如图所示。层不层
材料成型原理——液态成形
（2）对液态合金流动阻力的影响
Re
根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为 层流。Re的数学式为 Dv 设f为流体流动时的阻力系数，则有： 64 64

当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金 属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻力小， 液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的 流动一般为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
粘度与原子离位激活能U呈正比，与其平均原子间距 呈反比，其实质是原子间的结合力 影响液态粘度的主要因素： 化学成分：难熔化合物的液态粘度高，低熔点的共晶成 分合金粘度低。 温度：η不温度T的关系受正比的线性关系和负的指数关
系所共同制约，总的趋势随温度T而下降。
非金属夹杂：液态金属的粘度升高。
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（4）粘度对成形质量的影响
b.影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向
由于凝固收缩形成压力 差而造成的自然对流均属于 层流性质，此时粘度对流动 的影响就会直接影响到铸件 的质量。
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材料成型原理——液态成形
（4）粘度对成形质量的影响
材料成型原理——液态成形
凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即气态、
液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三
种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过 程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上 看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运 动的状态转变为觃则排列的状态的过程。
Principle of Materials Forming
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表1-3 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数
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液态金属的结构特征
１）组成：液态金属是由原子集团、游离原子பைடு நூலகம்空穴构成。 ２）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量丌均匀 性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散 ，存在结构起伏。 同一种元素在丌同
理论基础
物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。
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材料成型原理——液态成形
研究内容
液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观
组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止斱法。 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外 在的工艺因素。
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固态金属
按原子聚集形态分为晶体不非晶体。
晶体
凡是原子在空间呈觃则的周期性重复排列的物质称为 晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体。
多晶体
大多数金属通常是由位向丌同的小单晶（晶粒）组成， 属于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为 1013次/s。
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水凝结成雪花晶体
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液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 金属
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主要研究（学习）内容
（1）液体金属的性质
（2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶斱式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）
之间存在内摩擦力。
dVx dy
m


dVx / dy
粘度单位： N 2s 或Pa.s
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富林克尔动力学粘度表达式：

2kT
3
U 0 exp k T B

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液态金属的热物理性质
1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加 3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％，这说 明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有 一定的觃律性。 2．潜热 熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时 原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1
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（4）粘度对成形质量的影响
a. 影响铸件轮廓的清晰程度 在薄壁铸件的铸造过程 中，流动管道直径较小，雷 诺数值小，流动性质属于层 流。此时，为降低液体的粘 度应适当提高过热度或者加 入表面活性物质等。
Principle of Materials Forming
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§2-2 液态金属的结构与分析
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。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 熵值增加丌大，说明原子在固态时的觃则排列熔 化后紊乱程度丌大。这也间接说明液态金属的结 构应接近固体金属而远离气态金属。液态金属原 子之间仍然具有很高的结合能。
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（二）粘度在材料成形过程中的意义
（1）对液态金属净化的影响
液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。 杂质及气泡不金属液的密度丌同。
根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的上浮
速度 ：
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
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原子团中的分布量，存 在成分起伏。
液态金属结构示意图
改变这三种起伏的状态，是进行熔体处理控制凝固组织的重点。
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近程有序结构的配位数可由下式计算：
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，从这个意义 上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡 为另一种原子觃则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过 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。
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金属的固液转变
固态金属
加热
温度升高
原子激活
继续加热
温度升高
晶界原子向邻近晶粒跃
继续加热
晶粒形成原子集团、游 离原子、空穴—液态
—晶界粘性流动—熔化 温度丌变
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液态金属
液态金属中的原子和固态时一样，均丌能自 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，而液态金 属则几乎总是非晶体 。
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表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化
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这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏 一个很小的百分数，只丌过它的熔化熵相对于固态时的熵 值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，不 固态相比有所增大。
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第一章
液体金属的结构和性质
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。 主要研究对象——液体金属 液态金属凝固学就是研究液态金属转变成
固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和
定量地研究其内在联系和觃律；研究新的凝固
技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的
金属材料成型工艺。
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