第二章 液态金属的结构与特性

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2）表面张力
什么叫表面张力？ 在液体表面内产生的平行于液体表面、且各向均 等的张力，称之为表面张力。 表面张力是气/液界面现象，它的大小与液相和气 相的性质有关。 产生张力的表面层厚度不超过10-9m，相当于几个 原子(分子)层厚度。
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表面张力 表面张力的大小表示为：
金属从非晶态过渡到晶态的过程称为结晶。
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液态金属的结构
成分起伏是合金形核基本条件之一，改变成分 起伏可以形核条件。 铁水孕育处理就是通过改变成分起伏促进形核， 细化晶粒。
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2.2 液体金属的特性
1）粘度：一层面上的质点相对另一层面上的质 点作相对运动时，会产生摩擦阻力。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，称为粘滞系 数或粘度。粘度的单位是Pa· s。粘度的倒数叫 流动性。
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液态金属的结构
熔化潜热只有气化潜热的3～7％，见表4.1。
原子振动：液态金属原子围绕平衡结点振动， 不能自由运动，振动的能量和频率要比固态原 子高几百万倍。固体原子在晶格结点上振动， 频率约为1013 次/s。
★结论：金属由固态变成液态，原子结合键破坏 很小，液态原子热运动的混乱程度增加。
σ F/L
L
S
X
F
σ为表面单位 长度上的拉力。
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表面张力
液体表面层内质点受到不平衡力场的作用， 导致表面绷紧或弯曲，产生了多余的表面， 形成此表面所需的能量称为表面能。
L
S
X
L
S
X
△A
F
dX
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表面张力 设表面S在绷紧力F的作用下，拉长了dx距 离，则外力所做的功为： F F W W F dx (l dx) dA dA l l dA
L
S
X
dx
F
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表面张力
表面张力是表面单位长度上的拉紧力。
σ F/L
表面能是增加单位表面积Baidu NhomakorabeaA外力所做的功。 W
dA
表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表
面张力单位为N/m，表面能单位为J/m2。
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界面张力和界面能
界面张力和界面能与表面张力和表面能相似。
净化器或过滤器吸附原理：
在液态或固体中加入某些物质的原子或分子，使 其表面能增加，提高表面活性，吸附希望被过滤 的物质。
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液态金属的结构
液态金属结构特点： 液态金属是由游动的原子团构成。
液态金属原子热运动激烈，各原子具有的能量各 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。
液态原子处于能量起伏之中，原子团时聚时散， 时大时小，此起彼伏，称为结构起伏。
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液态金属的结构
对于多元素液态金属，一种元素在不同原子团 中的分布量随着原子的热运动瞬息万变，这种 现象称为成分起伏。 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转变为长程有序状态的 过程。
342.415 304.741
Fe
Zn Cd Mg
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f.c.c
h.c.p h.c.p h.c.p
1536
420 321 650
15.195
7.242 6.405 8.707
3070
907 765 1103
340.322
115.115 99.627 133.952
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液态金属的结构
固体可以是晶体，也可以是非晶体，而液态金属 则几乎总是非晶体 。 液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之 间具有很高的结合能。
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液态金属的结构
液态金属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。 由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位 数稍有变化，在长程范围内，原子的排列是无 序的，见图2.1。
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液态金属的结构
图2.1 液态金属结构示意图
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粘度
粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生 的阻力。
粘度的表达式：

2 0 KT
3
eU / KT
式中： U为原子活化能，τ为原子在其平衡 位置停留时间， k为Boltzmann常数，δ原子 大小。
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粘度

2 0 KT eU / KT
3
eU/KT项与温度成指数关系，2τ0KT /δ3项与温 当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增高而急 粘度值与原子体积δ3成反比，与原子活化能U 剧变化，因而使粘度下降； 度呈直线关系。 成正比。如果液态金属原子间的结合力大，则 当温度很高时，eU/KT项趋近1，2τ0KT /δ3项随 其粘度越高；原子半径越大，则粘度相对较低。 温度增高呈直线增加。显然，这时已接近气态。
WHY?
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表面张力的应用
WHY? 说明几个道理： 只要液面是弯曲的，其内外压力不同。 弯曲液面液体的表面张力迫使液面向内收 缩，产生一种额外的压力，这个额外的压 力叫做附加压力。 吹气球：气球越大，用力越小！ 附加压力大小与曲面曲率半径有关:曲率 半径越大，附件压力越小。
界面与表面的差别： 界面泛指两相之间的交界面；
表面专指液体或固体与气体形成的界面，确切的 说，是指液体或固体在真空下的表面。
产生表面张力与界面张力的原因？ 物体表面或界面质点受力不平衡。
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（3 )表面张力的应用
①弯曲液面产生的附加压力
P
现象： 用玻璃管吹肥皂泡 堵住管口→肥皂泡将长时间存在 打开管口→肥皂泡将不断缩小，聚成液滴。
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粘度
粘度在液态成型中的作用？
对充型过程的影响
T↗，η ↓，充型性能↗。 T↗，收缩量↗ ，缩孔、缩松、变形、裂纹↗ 。 T↗，粘砂可能性↗ 。 对夹杂物和气体的影响
T↗，η ↓，夹杂物和气体易上浮去除。
T↗，金属液吸气↗，氧化夹杂物量增加↗
第二章 液态金属的结构与特性
王泽华
2.1
液态金属的结构
液态金属的结构？ 液态金属的物理特性： 体积: 比固态膨胀3～5％，即原子间距平均只 增大1～1.5％ 。 比热容: 比固态稍大，但属同一数量级。 导电性: 呈正电性，具有良好导电性。 导热性： 具有良好导热性能。 流动性： 具有良好流动性。
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表面张力的应用
②润湿角：
B A
α
润湿角α越小，A-B两种物质的润湿性 越差。
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表面张力的应用
③液态金属充填铸型
润湿性越好，金属越容易充填到各部位。
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表面张力的应用
④表面吸附
表面原子或分子受力的不平衡性，促使其吸附其 他物质原子或分子，使表面能降低。
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表2.1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
金 属 晶体结构 熔点 /℃ 熔化潜热 /KJ.mol-1 沸点 /℃ 汽化潜热 /KJ.mol-1
Al
Au Cu
f.c.c
f.c.c f.c.c
660
1063 1083
10.465
12.809 13.018
2480
2950 2575
291.346