第1章 液态金属结构与性质
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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。
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
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
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。
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
第1章—— 液态金属的结构与性质
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”
四、液态金属结构的理论模型（自学） 液态金属结构的理论模型（自学）
无规密堆硬球模型——RCP （一）无规密堆硬球模型
以无规堆积的硬球来描述液体结构。 模型特征 以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑， 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中 存在五种间隙多面体模型 存在五种间隙多面体模型 四面体 八面体 三角棱柱多面体 四方十二面体 阿基米德反棱柱多面体 73% 20% 3% 3% 1%
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
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
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”
四、液态金属结构的理论模型（自学） 液态金属结构的理论模型（自学）
无规密堆硬球模型——RCP （一）无规密堆硬球模型
以无规堆积的硬球来描述液体结构。 模型特征 以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑， 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中 存在五种间隙多面体模型 存在五种间隙多面体模型 四面体 八面体 三角棱柱多面体 四方十二面体 阿基米德反棱柱多面体 73% 20% 3% 3% 1%
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
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
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
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
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
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 液态金属的结构和性质
材料成型原理——液态成形
水凝结成雪花晶体
Principle of Materials Forming材料成型原理——液态成形
液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 金属
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
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）
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。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
（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
材料成型原理——液态成形
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
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 液态金属的结构和性质
第一章 液态金属的结构与性质
[本章学习提示] 了解液态金属研究的基本手段，掌握液态金属研究中的偶分 布函数、径向分布函数、配位数等函数的物理含义； 掌握理想液态金属的结构特点，了解实际液态金属的特点； 掌握液态金属黏度的定义、物理意义，了解其测试方法及原 理，掌握液态金属黏度的影响因素及对成型过程的影响； 理解表面张力的物理意义，了解熔体表面张力的测试方法及 原理，了解表面张力的理论计算方法；掌握表面张力的影响 途径及对成型过程的影响； 理解金属遗传性的定义及内涵，了解金属的遗传机制，掌握 遗传性的影响途径； 理解金属半固态的物理意义，了解半固态铸造工艺，掌握半 固态金属的流变特性及表观黏度的影响。
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
图1-5 纯金属的偶分布函数 （a）液态Cu在熔点附近的偶分布函数 （b）液态Fe在熔点附近的偶分布函数
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
理想液态金属的结构模型 液态金属结构具有“短程有序,长程无序”特点的同时,存在 “能量起伏”和“结构起伏”两种起伏作用 如何理解?
黏度对液态成型过程的影响
液体的流态决定于雷诺数Re。 Re <2300 层流 Re >2300 紊流。
假设：液态金属中的夹杂物为球形； 夹杂物半径很小（ r < 0.1mm）； 在上升过程中速度很慢；
实例
1.2.2 表面张力 现象‐液体与环境接触的表面具有特殊性质，如荷
叶上的水珠、天空中的雨滴等，都呈近似球状的形态。
1.1.1 液态金属结构的研究方法
偶势
配位数 定义：RDF曲线峰值下所包围的面积可理解为近邻原子数；
Z = 2 ∫ 4πr n0 g (r )dr
2 r0
[本章学习提示] 了解液态金属研究的基本手段，掌握液态金属研究中的偶分 布函数、径向分布函数、配位数等函数的物理含义； 掌握理想液态金属的结构特点，了解实际液态金属的特点； 掌握液态金属黏度的定义、物理意义，了解其测试方法及原 理，掌握液态金属黏度的影响因素及对成型过程的影响； 理解表面张力的物理意义，了解熔体表面张力的测试方法及 原理，了解表面张力的理论计算方法；掌握表面张力的影响 途径及对成型过程的影响； 理解金属遗传性的定义及内涵，了解金属的遗传机制，掌握 遗传性的影响途径； 理解金属半固态的物理意义，了解半固态铸造工艺，掌握半 固态金属的流变特性及表观黏度的影响。
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
图1-5 纯金属的偶分布函数 （a）液态Cu在熔点附近的偶分布函数 （b）液态Fe在熔点附近的偶分布函数
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
理想液态金属的结构模型 液态金属结构具有“短程有序,长程无序”特点的同时,存在 “能量起伏”和“结构起伏”两种起伏作用 如何理解?
黏度对液态成型过程的影响
液体的流态决定于雷诺数Re。 Re <2300 层流 Re >2300 紊流。
假设：液态金属中的夹杂物为球形； 夹杂物半径很小（ r < 0.1mm）； 在上升过程中速度很慢；
实例
1.2.2 表面张力 现象‐液体与环境接触的表面具有特殊性质，如荷
叶上的水珠、天空中的雨滴等，都呈近似球状的形态。
1.1.1 液态金属结构的研究方法
偶势
配位数 定义：RDF曲线峰值下所包围的面积可理解为近邻原子数；
Z = 2 ∫ 4πr n0 g (r )dr
2 r0
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。
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。
01 液态金属结构和性质02
（四） 液态金属的结构
（四） 液态金属的结构
Crystal Matter Na Sc
Structure Type bcc bcc
Tm (K) 370 302
Vm / Vs (%) 2.6 2.6
Sm (J.K-1.mol-1) 7.03 6.95
Fe Al Ag Cu Mg Zn Sn Ga N2 Ar CH
2.粘度的影响因素
粘度(Viscosity)表达式：
U 0 exp 3 k T B K b —— Bolzmann常数； 2kT
U —— 为无外力作用时原子之间的结合能
τ0 —— 为原子在平衡位置的振动周期（对液态金
属约为10-13秒）
δ —— 液体各原子层之间的间距
使液体粘度降低,非表面活性杂质的存在使粘度提高。
（二） 粘度在材料成形中的意义
先引入运动学粘度及雷诺数的概念： 运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：
/
运动学粘度ν—— 适用于较大外力作用下的水力学流动， 此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略 （当采用了运动学粘度系数ν之后，ν金和ν水两者近于一致。 例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理 来考虑） 。 动力学粘度η—— 在外力作用非常小的情况下适用，如夹 杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数η有 关。
RDF = 4πr 2ρo g(r)
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。 图1-2 稍高于熔点时液态碱金属(Li、Na、K、Rb、
Cs)的径向分布函数(RDF)
RDF= 4πr2ρog(r), atoms /Å
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《材料成形基本原理》(3Ed-2016)
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课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛
下篇 陈文琳
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《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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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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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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一、 液体的分类
按液体的构成类型，可分为：
原子液体（如液态金属、液化惰性气体）
分子液体（如极性与非极性分子液体），
离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）
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二、 液体的表观特征
——分子不停地作无规律运动
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液体：
长 程 无 序
—— 不具备平移、对称性；
近 程 有 序
—— 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
现出局域范围的有序性。
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径向分布函数
—
RDF
RDF = 4πr 2ρo g(r)
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（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
N1
rm 2 4 g ( r ) r dr 0
r0
N1 与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
双原子模型
两个原子间：相互作用力F， 相互作用势能W与原子间距 离R的关系如图所示。
图a中虚线为引力与斥力，
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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三、液体的结构和性质与材料成形的关系
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体生长的热力学 熔体的结构信息
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
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平均原子间距 r1：
对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一 峰的位置。 r = r1 表示参考原子至其周围第一配位层 各原子的平均原子间距。
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1），金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增
量）为3~５%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附
近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为
1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
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第四节 液态金属的充型能力
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第一节
引言
一、液体的分类
二、液体的表观特征 三、液体的结构、性质与材料成形的关系
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T至熔点时，空穴骤然增多。 F-R曲线上，R超过R1，原 子间的引力急剧减小，从而 造成原子结合键突然破坏， 金属则从固态进入熔化状态。
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大（见表1-
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在特定的温度下，虽然“能量起伏”和 “结构起伏”的存在，但对于某一特定的液 体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。
然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变 化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。
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双原子模型
势能曲线极不对称: 向右是水平渐近线， 向左是垂直渐近线
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《材料成形基本原理》（第3版） 每个原子在三维方向都有相邻原 子，频繁相互碰撞而交换能量。每 时每刻都有一些原子能量超过(或低 于)原子平均能量 (“能量起伏” ) 高能原子则可能越过势垒跑到原 子之间的间隙中或金属表面，而失 去大量能量，在新的位置上作微小 振动。一旦有机会获得大的能量， 又可以跑到新的位置上。(内蒸发) 原子离开点阵则留下了自由点 阵——空穴(物体膨胀的另一原因 ) T越高，空穴越多
大吸引力（能量曲线拐点）。 而后，吸引力随距离而减小，当达到
R＝R0时，相互作用力等于零（F＝0），
此时R0为平衡距离。(能量最低，状态 稳定)
dW ( R) F ( R0 ) dR
0
R R0
当距离小于平衡距离R0时，出现排 斥力(F>0)，并随距离的继续缩短而 迅速增大。
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1. 液体粘度的定义
粘度系数---简称粘度(动力学粘度η)，是 根据牛顿提出的数学关系式来定义的： o d VX dy
τ —— 平行于X方向作用于液体表面 表述为：液体流动的速度梯度 dVX/dy 粘度的物理意义可视为：作用于液体表
面的应力 τ大小与垂直于该平面方向上 与剪切应力 τ成正比。 （ X-Z 面） 的外加剪切应力， 的速度梯度的比例系数。 通常条件下，所有的液态金属符合牛顿 V X——液体在X方向的运动速度， 液体粘度量纲为[M / LT]，常用单位 定律，被称为牛顿液体。 dV 表示沿 X/dy 为 Pa· S 或—— MPa· S。 Y方向的速度梯度。
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 。
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对于“纯金属” ：总存在大量杂质原子。
如：8N纯铁（分析纯只能达5N），则每
1cm3铁液中杂质原子数约相当于1015数量级。 对于合金，F(A-A、B-B)＞F(A -B)： 则A-A、 B-B原子聚集； F(A -B)＞F(A-A、B-B)：液体中形成新的化 学键 A-B原子聚集
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（四） 实际液态金属的微观特点
对于“理想液体”,存在： “能量起伏” 及“结 构起伏” 对于实际液体, 还存在浓度起伏
“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
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《材料成形基本原理》（第3版） 特定T，R=R0 ，W=W0 T升高，能量从W0升高到 W1、W2、W3、W4 ，其间 距（振幅中心位置）将由R0 增大到R1、R2、R3、R4 。 原子热振动：沿势能曲线势 能与动能间发生转换。 原子间距离将随温度的升高 而增加，即产生热膨胀，但 并不改变原子相对排列（熔 点以下）。
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第一节 引言 第二节 液态金属的微观结构
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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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当R→∞时， F→0。 当两原子靠近时，原子间产生吸引力
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(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)
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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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一、 液体的分类
按液体的构成类型，可分为：
原子液体（如液态金属、液化惰性气体）
分子液体（如极性与非极性分子液体），
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二、 液体的表观特征
——分子不停地作无规律运动
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液体：
长 程 无 序
—— 不具备平移、对称性；
近 程 有 序
—— 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
现出局域范围的有序性。
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径向分布函数
—
RDF
RDF = 4πr 2ρo g(r)
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（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
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
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两个原子间：相互作用力F， 相互作用势能W与原子间距 离R的关系如图所示。
图a中虚线为引力与斥力，
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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三、液体的结构和性质与材料成形的关系
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体生长的热力学 熔体的结构信息
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
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平均原子间距 r1：
对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一 峰的位置。 r = r1 表示参考原子至其周围第一配位层 各原子的平均原子间距。
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量）为3~５%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附
近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为
1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
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物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大（见表1-
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在特定的温度下，虽然“能量起伏”和 “结构起伏”的存在，但对于某一特定的液 体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。
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大吸引力（能量曲线拐点）。 而后，吸引力随距离而减小，当达到
R＝R0时，相互作用力等于零（F＝0），
此时R0为平衡距离。(能量最低，状态 稳定)
dW ( R) F ( R0 ) dR
0
R R0
当距离小于平衡距离R0时，出现排 斥力(F>0)，并随距离的继续缩短而 迅速增大。
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1. 液体粘度的定义
粘度系数---简称粘度(动力学粘度η)，是 根据牛顿提出的数学关系式来定义的： o d VX dy
τ —— 平行于X方向作用于液体表面 表述为：液体流动的速度梯度 dVX/dy 粘度的物理意义可视为：作用于液体表
面的应力 τ大小与垂直于该平面方向上 与剪切应力 τ成正比。 （ X-Z 面） 的外加剪切应力， 的速度梯度的比例系数。 通常条件下，所有的液态金属符合牛顿 V X——液体在X方向的运动速度， 液体粘度量纲为[M / LT]，常用单位 定律，被称为牛顿液体。 dV 表示沿 X/dy 为 Pa· S 或—— MPa· S。 Y方向的速度梯度。
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如：8N纯铁（分析纯只能达5N），则每
1cm3铁液中杂质原子数约相当于1015数量级。 对于合金，F(A-A、B-B)＞F(A -B)： 则A-A、 B-B原子聚集； F(A -B)＞F(A-A、B-B)：液体中形成新的化 学键 A-B原子聚集
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（四） 实际液态金属的微观特点
对于“理想液体”,存在： “能量起伏” 及“结 构起伏” 对于实际液体, 还存在浓度起伏
“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
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《材料成形基本原理》（第3版） 特定T，R=R0 ，W=W0 T升高，能量从W0升高到 W1、W2、W3、W4 ，其间 距（振幅中心位置）将由R0 增大到R1、R2、R3、R4 。 原子热振动：沿势能曲线势 能与动能间发生转换。 原子间距离将随温度的升高 而增加，即产生热膨胀，但 并不改变原子相对排列（熔 点以下）。