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第一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）
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

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。

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。

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。

铸造理论基础

铸造理论基础
材料成型与控制工程专业
33
§1-4 液态金属结晶的基本原理 一、液态金属的结晶过程
2.液态金属的结晶过程 晶核形成
界面 长大 热力学能障
能量障碍
动力学能障
材料成型与控制工程专业
34
§1-4 液态金属结晶的基本原理 二、生核过程
1.生核分类 均质生核(自 发生核)
分 类
非均质生核(异质 生核)
界面：
1280 ～ 1180
15
§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
•3浇注条件 2）充型压头

液态金属在流动方向上所受的压力 越大，充型能力就越好； 不良后果？

采取措施：
1)增加金属静压头h；
2)其它方式如压铸等； 3）浇注系统的结构
材料成型与控制工程专业
16
§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
•2铸型方面 3）铸型中气体 发气能力：在金属液与铸型之间形成气膜， 可减小流动的摩擦阻力，有利于充型

减小反压力途径：
1）减少砂型的发气性（适当降低含水量和发气物 质含量）；
2）提高砂型透气性（扎通气孔，设冒口等）
材料成型与控制工程专业
14
§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
材料成型与控制工程专业
37
§1-4 液态金属结晶的基本原理 二、生核过程
局限性： 克服高能量障碍，所需的过冷度是很大的。 ΔT=(0.18-0.2)T熔 如：纯Al T熔＝660℃，ΔT=195℃;
但实际上金属结晶时的过冷度一般只有十几摄氏度或 几分之一摄氏度，远小于均质生核所需的过冷度。

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。

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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4π r 2 ρ dr
理想液体的原子平 均密度分布曲线。
径向分布函数表示 在r+dr之间的球壳 中原子数的多少 固态铝中原子分布的规 律，原子位置固定，在 平衡位置做热运动，故 球壳上原子数显示出是 某一固定的数值，呈现 一条条的直线 图1-1 700℃液态铝中原 子密度分布线
2. 热物理性质 体积只膨胀3～5％， 即原子间距平均只增 大1～1.5％ ， 熔化潜热（△Hm）只占气化潜热（ △Hb ） 的3～7 ％ 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，只不过它的 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，与固态相比有所 增大。 比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具 有相同的数量级。
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
2 g ( ρ m − ρ B )r 2 υ = ⋅ η 9
粘度η较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，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。
对焊缝的合金过渡影响
在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素 的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。 这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上 进行的。熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金 元素易扩散到熔渣-熔池金属界面上，向熔池金属内部 扩散。因此，熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过 渡是有利的。
2
4π r g ( ρ m − ρ B ) 2 gr ( ρ m − ρ B ) ∴v = = 3 × 6π rη 9η
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
2）粘度在材料成形中的意义 ② 对液态合金流动阻力的影响 层流？紊流？雷诺数！Re＝D vρ/η
(< 2300层流，>2300紊流)
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
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； •影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧； •影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： •熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响 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。
夹杂和气泡上浮的动力
F = Vg ( ρ m − ρ B )
即二者重量之差
在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动 根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Fc为：
Fc = 6π rvη
r为球形杂质半径，v为运动速度
6π 杂质匀速运动时，Fc＝F，故 rvη
3
= Vg ( ρ m − ρ B )
单位：Pa·s。
•当相距1cm的两个平行液层间 产生1cm/s的相对速度时，在 界面1cm2面积上产生的摩擦力
② 粘度的物理意义： 作用于液体表面的应力大 小与垂直于该平面方向上 的速度梯度的比例系数
③ 粘度的影响因素 富林克尔表达式：η =
kB：Bolzmann常数； δ：相邻原子平衡位置的平均距离 U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒 t0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13 s） T：热力学温度
膨胀原因？ 原子间距增大和空穴的产生
3. 金属的熔化
粒相对滑动
继续吸热 （熔化潜热）
晶粒失去原有形状 晶粒瓦解，体积突然膨胀 晶粒瓦解，形成此起 彼伏的原子集团，游 离原子和空穴
温度不变，内能增加
约3% — 5%
1.2 液态金属的结构与分析
1. 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 固态金属 按原子聚集形态分为 晶体与非晶体 。 晶体：凡是原子在空间呈规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 多晶体：大多数金属通常是由位向不同的小单晶 （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。
表面现象？
露珠
表面张力：液体表面内产生的平行于表面切线方 向且各向大小均等的张力。 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所 造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力 较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均 引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此， 物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。
4. 实际金属的液态结构 液态金属内存在近程有序的原子集团。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）能量起伏。 3）结构起伏。 4）浓度起伏（或成分起伏）。
金属由液态转变为固态的凝团过程，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）过渡为另一种原子规则排列 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。
实际金属的液态结构
1.3 液态金属的性质 1. 液态合金的粘度 1）液态合金的粘度及其影响因素 • 液态金属是有粘性的流体。 • 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按 平行方向运动。 • 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点 作相对运动时，会产生摩擦阻力。
① 粘度系数或粘度，表达式：
dv x τ =η dy
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。
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，这些冶金化 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地向界面 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（反应速度和 可进行到何种程度）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，金属液和熔渣的 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。
2 k BT
δ
3
U t0 exp( ) k BT
可以看出，影响粘度的因素有：
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。
液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高
b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。 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。）
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。
F F δW = F ⋅ dx = (l ⋅ dx) = ⋅ dA = σ ⋅ dA l l
表面能：产生新 的单位面积表面 时系统自由能的 增量
进一步可得
F σ= l
σ =
δW
dA
•由此可见，表面张力σ是表面S内垂直F方向的单位 长度上的拉紧力； 也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功，称之为 表面能。 表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符号相 同，大小一样，单位也可以互换（如表面张力为 10-1N/m，则表面能为10-1J/m2 ） ，是从不同角 度描述同一表面现象。
由α和β两相形成α-β界面过程如图所示。
α-β界面形成过程示意图 设α相和β相均是截面积为1cm2，长2cm的长方体。在α相 和β相中点各作一垂直截面将其等分，分别新增2个面积为 1cm2的相表面和2个面积为1cm2的β相表面。 为此，外力所需作的正功分别为Wα-α和Wβ-β。如果用σα表 示相的表面能，σβ表示β相的表面能，
σ SG − σ LS cosθ = σ LG
即杨氏方程式，接触角θ的值与各界面张力的相 对值有关。 1）σSG>σLS时，cosθ为正值，即θ<90° 称为液体能润湿固体。θ=0°时，液体在固体 表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2）σSG<σLS时，cosθ为负值，即θ>90°， 液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。 θ=180°为完全不润湿。所以θ角又称为润湿角。
Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ
α-β界面形成过程示意图
•然后，把 α 和 β结合成两个具有 α-β 界面整体， 这时所需作的负功为 -2Wα-β。 •因此，为形成2个 α-β 界面所作的净功 Ws 为：
Ws = Wα −α + Wβ − β − 2Wα − β
•形成一个α-β界面所作的净功Ws，在数值上等于α-β 界面的界面能σα-β，即：
润湿角θ：衡量界面张力的标志
同时与固相和气相接触的球冠形液相的界面张力的平衡情况
当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图 (a)所示。 当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见 (b)所示。 平衡时水平分量的平衡关系为：
σ SG = σ LS + σ LG cosθ
式中 σSG — 固相/气相界面张力； σLS — 液相/固相界面张力； σLG — 液相/气象界面张力。