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第1章—— 液态金属的结构与性质

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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
国家级精品课程
国家级精品资源共享课
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）
国家级精品课程
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
合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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

第1章—— 液态金属的结构与性质-2014

第1章—— 液态金属的结构与性质-2014

能量起伏 指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低， 同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象
结构起伏 指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不 断分化组合，由于“能量起伏”，部分金属原子（离子）从某个 团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样 此起彼伏，不断发生着涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样， 团 簇 的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象 浓度起伏 指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元 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 一起而把别的原子排挤到别处，表现为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 生着变化的现象
一、液态合金的粘度
（一）液态合金的粘度及其影响因素
1、粘度：又称粘度系数。液体在流动时，在其分子间产生内摩
擦的性质，称为液体的粘性。粘性大小用粘度来表示。是用来 表征与液体性质相关的阻力因子。依牛顿提出的关系式来定义：
z
dvx τ=η dy

O

v2
v3
v1
x
dy η=τ dvx
v4
...
y
v5
2、粘度的物理意义：表示 作用于液体表面的外加
了解
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
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（远程无序），相对于气体，表现为近程有序

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。

1-材料成形理论基础

1-材料成形理论基础

材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。

液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。

这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。

所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。

2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。

3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。

3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。

粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。

表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。

当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。

51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。

一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。

凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。

631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。

宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。

71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。

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：

材料加工原理作业答案

材料加工原理作业答案

材料加工原理作业答案作业第一章液态金属的结构与性质1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？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；能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象。

结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。

浓度起伏指在多组元液态金属中，由于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，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的现象2、根据图1-8及式（1-7）说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素，并讨论粘度在材料成形中的意义动力学粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。

是液体内摩擦阻力大小的表征影响粘度的因素：1）液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比；3）η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。

（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。

）4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响，如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（H m 为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。

液态金属的结构与性质(共71张PPT)

液态金属的结构与性质(共71张PPT)

固体无异——近程有序。
因此，关于液体，有两种说法：
〔1〕本质上是密集的气体；
〔2〕高度有缺陷的晶体。
4、固液在外力下，外观的变化
液体：外力——改变形状——流动〔如重力下—水由高
处流向低处〕；
固体：剪应力——弹性变形；外力去除—变形消失。
即：固体不能流动。
2022/8/19
12
5、其它方面
当它与所选原子相距较远的距离 时，原子排列进入无序状态。
说明：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。
3
2
1
2022/8/19
11
3、液体的流动特性——像气体；
但体积特性、热特性——像固体——局部原子排列与
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体的生长
液体的结构信息
凝固的微观机制
液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、 结晶潜热、粘度等性质 成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式
热力学性质及在液相中的扩散速度
炼钢、铸造合金及焊接熔池的精炼
2022/8/19
4
5、相变
相变化过程：液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件下相之 间的转变过程。即：相变过程。
2022/8/19
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〔3〕对凝固过程中液态合金对流的影响
液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓 度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力 大于或等于粘滞力时那么产生对流，其对流强度由无量 纲的格拉晓夫准那么度量，即
※产生对流的条件：温差和浓度差→浮力>粘滞力
※对流强度--格拉晓夫准那么数：

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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第二节 液体金属的结构
一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征 液态与固态、 二、由物质熔化过程认识液态金属的结构 三、实际金属的液态结构 四、液态金属结构的理论模型
自学
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征 液态与固态、
晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征， 晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时 ——原子在晶格节点上表现出平移 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序） 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）
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 气体中粒子的平均自由程
偶分布函数g 偶分布函数 (r) 的物理意 义：距某一参
考粒子r处找到 考粒子 处找到 另一个粒子的几 换言之， 率，换言之，表 示离开参考原子 (处于坐标原子 处于坐标原子r 处于坐标原子 = 0)距离为 的位 距离为r的位 距离为 置的数密度ρ 置的数密度 (r) 对于平均数密度 ρ 0（=N/V）的 ） 相对偏差
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 存在大量多种分布不均匀、存在方式（ 质或化合物） 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金） 存在第二组元时，表现为能量起伏、 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） 相当复杂， 实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、 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， 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替
虚线：计算值；实线： 虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
液体的粘度与温度的关系ａ） ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴 图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
r0
rm
N1 表示参考原子周围最近邻 (第一壳层 原子数（如图） 第一壳层)原子数 第一壳层 原子数（如图） r1 表示参考原子与其周围第 一配位层各原子的平均原子 间距， 间距，也表示某液体的平均 原子间距
图 液体配位数Ｎ１的求法
液体平均原子间距r 液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的
2
上式表示在 r 和 r+dr 之间的球壳中原子数 的多少。 的多少。图中带点的 红色曲线为稍高于熔 点时（白色） 点时（白色）各种液 态碱金属的径向分布 函数变化
配位数N RDF第一峰之 配位数N1—RDF第一峰之 下的积分面积
N 1 = ∫ 4πρ 0 g (r )r 2 dr
4、综合模型 在液态金属中由于热运动的存在，不同的部位有 、 在液态金属中由于热运动的存在， 着不同的运动方式， 着不同的运动方式，因此处于不同部位的原子受到力的方式大小 也不相同，产生的缺陷也就不单一了， 也不相同，产生的缺陷也就不单一了，这样也就形成了多种缺陷 模型的综合现象
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展 了解） （了解）
3、位错模型 液态金属可看成是一种被位错芯严重破坏的点阵 、 结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错） 结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错） 的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。 的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。高位错 密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性， 密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性，同时 使液态金属在外力的作用下具有流动性， 粘滞系数、 使液态金属在外力的作用下具有流动性，对粘滞系数、原子扩散 系数和晶体的生长等也能进行较好的解释
mPa·S。工业上动力粘度单位用泊来表示， mPa·S。工业上动力粘度单位用泊来表示，即1克/厘米·秒=1泊 厘米· =1泊
4、粘度的影响因素 1）通常液体粘度表达式
式中： 式中：
η=
2k B T
δ3
U τ 0 exp k T B
KB ——Bolzmann 常数； 常数； U ——无外力作用时原子之间的结合能（或原子扩散势垒）; 无外力作用时原子之间的结合能（ 无外力作用时原子之间的结合能 或原子扩散势垒） T —— 热力学温度常数 原子在平衡位置的振动周期（ τ0 ——原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为 -13 秒） 原子在平衡位置的振动周期 对液态金属约为10 δ —— 液体各原子层之间的间距
dv x τ=η dy
dy η=τ dv x
τ
O
δ
v2
v3
x
v1
v4
... v5
y
2、粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大 粘度的物理意义：
小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。 小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。是液体内摩 擦阻力大小的表征
3、粘度的量纲及单位：量纲为M·L-1·T-1；常用单位Pa·S 或 粘度的量纲及单位：量纲为M·L T 常用单位Pa·S
2）液体粘度的影响因素
（1）粘度 随原子间结合能 按指数关系增加：这可以理解 ）粘度η 随原子间结合能U 按指数关系增加： 液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大， 为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也 就越高 U 2k B T η = 3 τ 0 exp k T δ B 2）粘度随原子间距δ增大而降低 增大而降低， （2）粘度随原子间距δ增大而降低，与 δ 3 成反比 （3）η 与温度 的关系：受两方面（正比的线性关系和负的指 ） 与温度T 的关系：受两方面（ 数关系）共同制约，但总的趋势随温度T 而下降（见下图） 数关系）共同制约，但总的趋势随温度 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， 实际金属液的原子间距 也非定值，温度升高，原子热振动加 也非定值 原子间距随之而增大，因此η 剧，原子间距随之而增大，因此 会随之下降
g(r) 2 1 0
液体
液 体
g (r)
r1 g(r) 2 1 0
r b) 非 晶 固 体
b） ）
非晶固体 c） ）
r1-液体的平均原子间距 液体的平均原子间距
g (r)
r1
c)
r
g (r)
g(r)
晶态固体 晶 态 固
体 r1 d) r
d） ）
图 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征 气体、液体、
第一章 液态金属的结构与性质
第一节 液体概念的引入
一、液体类型（按液体结构和内部作用力分） 液体类型（按液体结构和内部作用力分）
原子液体； 原子液体； 分子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的性质和特征
最显著特性： 最显著特性：流动性 结构特征： 远程无序” 近程有序” 结构特征：“远程无序”而“近程有序”
（二）液态金属结构的晶体缺陷模型
液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。 １、微晶模型 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微 晶体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵， 晶体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间 以界面相连接 微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型 微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性， 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是， 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该 模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释 2、空穴模型 晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴，从 、 晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴， 而使液态金属微观结构失去了长程有序性。 而使液态金属微观结构失去了长程有序性。大量孔穴的存在使液 态金属易于发生切变，从而具有流动性。 态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提 空位的数量也不断增加， 高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小
金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1 ），大约为 大约为1/15 金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为1/15 至 1/30。表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏， 1/30。表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体 金属内原子的局部分布仍有一定规律。在液-气临界点T 金属内原子的局部分布仍有一定规律。在液-气临界点Tc的附 近，液体结构更接近于气体
指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低 处于热运动的原子能量有高有低， 能量起伏 指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一 原子的能量也会随时间而不停变化， 原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象
指液态金属中大量不停 游动” 大量不停“ 结构起伏 指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分 化组合，由于“能量起伏” 一部分金属原子（离子） 化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团 簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中， 簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此 起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样， 起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样， 团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象
第三节 液体合金的性质
一、液态合金的粘度
二、液态合金的表面张力
一、 液态合金的粘度
（一）液态合金的粘度及其影响因素 1、粘度：又称粘度系数。液体在流动时，在其分子间产生 粘度：又称粘度系数。液体在流动时，
内摩擦的性质，称为液体的粘性。粘性的大小用粘度来表 内摩擦的性质，称为液体的粘性。 是用来表征与液体性质相关的阻力因子。 示。是用来表征与液体性质相关的阻力因子。根据牛顿提 出的数学关系式来定义： 出的数学关系式来定义： z
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（ 物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（见书 体积变化 中表1 ）。金属熔化时体积变化 多增大） 3%~5%。 金属熔化时体积变化（ 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， 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