第2章 液态金属的结构与性质
第二章 液态金属的结构与特性
2013-7-16
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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↗
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。
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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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。2013-7-16 Nhomakorabea23
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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材料科学基础-第二章-材料的凝固
制备材料的典型工艺过程：
金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成
凝固与结晶：
凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。
自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，
那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的 晶核吗？
当r ＝ rK 时，G 有极大值GK
GK
4 3
2σ
GV
3 GV
4
2σ
GV
2 σ
1 3
4
2σ
GV
2
σ
1 3
4rK2σ
1 3
SKσ
结论：
晶核半径与G的关系
当形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿了表面自由能的2/3，还有 1/3的表面自由能需要另外供给，即需要对形核做功。称GK为形核功。
③形核率（Nucleation Rate）
单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目，即晶核形成的速率，记
作
•
N
，单位为cm－3·s－1。
影响形核率的因素：
形核功
随过冷度的增加，即随温度的降低，形核 功减小，形核率增大。
原子扩散能力
随过冷度的增加, 即随温度的降低, 原子
扩散能力下降, 形核困难, 形核率减小。
当 r＞rK时，随 r 的增加，体系自由能减 小，晶胚转变为晶核；
当 r＝rK时，晶胚处于亚稳状态，即可能消 失，也可能长大成为晶核；
把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临 界晶核半径。
液态金属的结构与性质
液态金属的结构与性质液态金属是一种特殊的物质，其结构与性质具有独特的特点。
本文将对液态金属的结构与性质进行详细介绍。
首先，液态金属的结构与固态金属有一些相似之处，但也有一些不同之处。
固态金属由由排列紧密的原子晶格构成，而液态金属的原子结构则更加随意和无规则。
液态金属中的原子没有固定的位置，它们以无序方式排列，形成一个非晶态结构，没有明确的晶体面，没有长程有序。
液态金属的性质也有一些独特之处。
首先是液态金属的流动性。
由于其无规则的原子结构，液态金属的原子之间没有明确的位置限制，因此可以自由流动。
这使得液态金属可以被容器中的任何形状所包裹，也使得液态金属可以通过一些制作工艺来制成各种形状的物体。
其次，液态金属具有较高的密度。
液态金属由金属原子组成，金属原子通常比较重。
由于原子之间没有明确的位置限制，因此液态金属可以更紧密地排列，使得其密度相对较高。
液态金属还具有良好的导电性和导热性。
金属中的电子随着原子之间的距离较远，形成自由电子，这些自由电子可以在金属中自由移动，从而实现电流的传导。
液态金属中的自由电子同样可以在液态金属中自由移动，因此液态金属具有良好的导电性。
与此类似，液态金属中的原子之间的距离较近，原子之间的振动更为频繁，从而使得热量在液态金属中得以快速传播，使其具有良好的导热性。
此外，液态金属还具有较高的表面张力。
液态金属原子之间的相互作用力较强，特别是在液体表面，原子受到周围原子的吸引力较大，形成一个表面膜。
由于这个表面膜的存在，液态金属的表面张力较高，使得液态金属在任何其他物体表面上都能形成一个相对稳定的液体球形，这也是为什么液态金属滴在表面上会呈现出球形的原因。
液态金属还具有一些特殊的性质和应用。
首先是其较低的熔点。
与晶体金属相比，液态金属由于无序结构的特殊性质，使得其熔点相对较低。
这使得液态金属在一些特殊工艺中得以应用，例如3D打印中的金属打印。
另外，液态金属还具有极好的流动性和可塑性。
金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
E W S
即
E S
(不考虑摩擦力）
2
J / m
于是得到表面张力的另一个意义是：表面张力可
以看作是液膜上单位面积的能量。
（3）表面张力与润湿角
润湿θ角是衡量界面张力的标志
界面张力达到平衡时，存在下列关系：
SG LS LG cos SG LS cos LG
·液态金属中，原子间结合力仍很强，平均原子间
距增加不大。
·液态金属结构为“近程有序”，即由10几个至几 ·原子集团的热运动很强，能量起伏大，原子集团 是瞬时的，游动的。
百个原子形成的集团所组成，在每一个原子集团 内原子排列是有序的。
·原子集团之间的距离较大，存在“空穴”，“空
穴”中可能有游离原子、杂质原子，也可能由裂 纹或气泡构成。“空穴”也是瞬时的，游动的。
· 热量变化
由表2-1可知，金属的熔化潜热只占汽化潜热的 很小部分（<7.0%），说明其结构接近固态。
2.直接研究方法： 通过液态金属X射线衍 射分析来直接研究金属 的液态结构。
以700℃液态铝的X射线 衍射结构分析为例 （见图2-1）；
X射线所得到液态和：
伏和浓度起伏。
§2-3 液态金属（合金）的性质
液态合金有各种性质，与材料成形过程 关系特别密切的主要有两个性质： 一、液态金属（合金）的粘度
二、液态金属（合金）的表面张力
一、液态金属（合金）的粘度
1. 液态合金的粘度及其影响因素 2. 粘度在材料成形中的意义
1.液态金属的粘度及其影响因素 （1）粘度的定义及意义
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）。
液态金属的结构与性质
2
液态金属的安全操作
为了确保安全，操作液态金属时应遵守相关规范和安全措施。
VIII. 结论：液态金属的发展前景
液态金属作为一种新兴材料，具有广阔的发展前景。我们期待液态金属在科学技术和工业领域和外界条件对液态金属的结构会产生影响和变化。
IV. 液态金属的性质
A. 导电性
液态金属具有优异的 导电性能，可广泛应 用于电子和通信行业。
B. 导热性
液态金属具有出色的 导热性能，可用于增 强散热和热传导。
C. 物理性质
液态金属具有特殊的 物理性质，如表面张 力和低温熔化性。
4 生物医学
液态金属在生物医学领域有广泛应用，如人 工器官和医疗设备。
VI. 液态金属的研究现状
实验方法与技术
研究者利用高温实验和精密仪器来探索液态金属的 特性。
未来研究方向
研究者正在寻找更多液态金属的应用领域，并改进 其性能和稳定性。
VII. 液态金属的风险与安全性
1
液态金属对人体的危害
在使用液态金属时，需要注意其对人体健康和环境的潜在危害。
D. 化学反应
液态金属在与其他物 质接触时会发生化学 反应，产生不同的物 理和化学性质。
V. 液态金属的应用
1 计算机工业
液态金属用于制造高效散热器和导热模块， 提升计算机性能。
2 新能源领域
液态金属作为流体载热介质，用于太阳能和 核能等新能源技术。
3 空间探索
液态金属可用于制造航天器和火箭发动机， 应对极端环境和高温条件。
良好延展性
液态金属具有良好的延展性，能够形成复杂的 形状和结构。
低粘度
与普通金属相比，液态金属具有较低的粘度， 便于流动和加工。
优异导电性
6液态金属的结构与性质讲解
6液态金属的结构与性质讲解液态金属是指在一定温度范围内处于液态的金属物质。
与固态金属相比，液态金属具有一些独特的结构和性质。
本文将为您详细介绍液态金属的结构和性质。
液态金属的结构：液态金属的结构与晶体固态金属的结构有很大的不同。
晶体金属中金属离子排列有序，呈现出长程有序的结构，而液态金属中金属离子呈现无序排列。
这是因为在液态金属中，金属离子没有固定的位置，而是随机运动，呈现出短程有序的结构。
液态金属的结构可以用连续性函数理论描述，即假设金属离子周围的电子云呈代表性连续函数的分布。
这种结构在液态金属中使得金属离子具有较高的流动性和可塑性。
液态金属的性质：1.密度较大：液态金属的密度一般比固态金属的密度大，这是由于金属在液态状态下金属离子之间没有固定的排列方式，所以更加紧密地堆积在一起。
2.熔点低：相比固态金属，液态金属的熔点要低得多。
这是因为在固态金属中，金属离子呈现有序排列，需要克服更大的排斥力才能实现相互组合成具有晶体结构的固体。
而在液态金属中，金属离子无序排列，排斥力较小，因此熔点较低。
3.导电性好：液态金属具有良好的导电性。
这是因为金属中的电子能够在金属离子间自由运动，并且在液态金属中，金属离子之间的距离较小，电子的运动受到较小的阻碍，所以电子能够更容易地在液态金属中传导电流。
4.热稳定性差：液态金属在高温下容易氧化，因为金属离子在液态金属中处于无序排列状态，容易与外界的氧气分子发生反应，导致金属氧化并丧失其原有性质。
因此，液态金属在高温下需要采取相应的防护措施，以防止其被氧化。
5.可塑性好：液态金属具有较好的可塑性。
这是因为在液态金属中金属离子的无序运动使其具有较高的流动性和可塑性，能够容易地适应外界的形变和应力。
6.高的热传导性：液态金属具有较高的热传导性，金属离子之间的无序排列有利于热能的传导，所以液态金属能够迅速地吸收和释放热能。
总结：液态金属具有独特的结构和性质。
液态金属的结构呈现短程有序，金属离子之间具有较高的流动性。
液态金属的结构与性质
程，它决定着金属材料的微观组织特征。
►►液相成型
1.金属中的原子结合
R→∞，F ＝ 0
R ＞ R0 ，F＜0（引力） → 靠拢
R ＜ R0 ，F＞0（斥力） → 分开
R ＝ R0 ，F＝0
→ 平衡
图1-1
2.金属的加热膨胀
（图1-2、1-3）
升温
➢热运动 热振动加剧，E转化为势能达新的平衡
➢ 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）
可以看出UδT：：τ，：k0：B相无影热：原邻外响力Bo子原力粘学lz在子m时度温a平平原的度nn衡衡子因常位位之素数置置间有的的的：振平结动均合周距能期离或（原对子液扩态散金势属垒约为10－13 s）
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。
b.原子液间体距的δ原. 子粘之度间随结原合子力间越距大增，大则而内减摩小擦。阻力越大，粘度就越高
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。
液态金属？
液态金属中的原子和固态时一样，均不能自 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。
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相 同的数量级。
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表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
3.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（或成分伏）。
液态金属材料
液态金属材料液态金属材料是一种特殊的金属材料，与普通固态金属不同，液态金属材料具有一些独特的性质和应用领域。
本文将介绍液态金属材料的定义、性质和应用。
液态金属材料，又称为非晶态金属材料或壳牌金属材料，是指具有非晶态结构的金属材料。
与普通的固态金属材料不同，液态金属材料没有具体的晶格结构，而是具有无序、非晶态的凝固结构。
这种结构使得液态金属材料具有一些特殊的性质。
首先，液态金属材料具有高的熔点和宽的凝固温度范围。
由于其非晶态结构，液态金属材料不像晶体金属那样具有明确的熔点，而是在相当宽的温度范围内逐渐凝固。
这种性质使得液态金属材料可以在广泛的温度和压力条件下应用，具有较好的稳定性和可操作性。
其次，液态金属材料具有优异的物理性能。
液态金属材料的物理性能往往优于晶态金属材料。
例如，液态金属材料具有较高的硬度、强度和韧性，能够承受较高的载荷和应力，具有较好的耐腐蚀性和耐磨损性。
这些特点使得液态金属材料在航空航天、汽车工业、电子技术等领域具有广泛的应用前景。
此外，液态金属材料还具有较好的加工性能。
由于其非晶态结构，液态金属材料可以通过多种方式进行成型和加工，如注射成型、冷喷涂、电磁成形等。
这种加工方式使得液态金属材料可以制备出复杂的形状和结构，具有较高的制备效率和经济性。
液态金属材料在实际应用中有着广泛的应用前景。
首先，液态金属材料可以用于制造高性能工具和装备。
其优异的物理性能和加工性能使得液态金属材料可以制造高硬度、高强度、高耐磨损的工具和装备，如切削工具、磨料轮等，提高了工作效率和使用寿命。
其次，液态金属材料可以用于制造新型的电子器件。
液态金属材料具有良好的导电性和电磁性能，可以制造出高导电率、高磁导率的电子器件，如柔性电路、电磁防护材料等，扩大了电子技术的应用范围。
最后，液态金属材料还可以用于制造高性能航天器和汽车零部件。
液态金属材料具有较高的强度和良好的耐腐蚀性，能够抵御极端的温度和压力条件，使得其可以应用于航天器和汽车零部件的制造，提高了航天器和汽车的安全性和性能。
金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
小结： 液体金属的结构是由许多瞬时的、游 动的、近程有序的原子集团和空隙组 成，原子集团间存在能量起伏、结构起
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
粘度对层流的影响就会
直接影响到铸件的质量。
二、液态金属的表面张力
1.表面张力的实质 2.影响表面张力的因素 3.表面张力在材料成形生产技术中的意义
1.表面张力的实质
（1）表面张力及其产生的原因
液体或固体同空气或真空接触的面叫 表面。表面具有特殊性质，由此产生的现 象——表面现象。 如荷叶上的水珠呈球状，雨水总是以滴 状的形式从天空落下。
伏和浓度起伏。
§2-3 液态金属（合金）的性质
液态合金有各种性质，与材料成形过程 关系特别密切的主要有两个性质： 一、液态金属（合金）的粘度
二、液态金属（合金）的表面张力
一、液态金属（合金）的粘度
1. 液态合金的粘度及其影响因素 2. 粘度在材料成形中的意义
1.液态金属的粘度及其影响因素 （1）粘度的定义及意义
几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固
之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角 就很小。 通过测定润湿角可比较不同液态金属表面 张力的大小。
2.影响表面张力的因素
（1）熔点 （2）温度 （3）溶质元素
（1）熔点 界面张力的实质是质点间的作用力， 故原子间的结合力大的物质，其熔点、 沸点高，则表面张力往往就大。材料成 形过程中常用的几种金属的表面张力与 熔点的关系如下表所示:
液态金属的结构和性质
系统（液相）能量起伏的含义：
（1）某一瞬时，各微观体积能量不同；
（2）不同瞬时，某一微观体积能量分布不同。
液相能量起伏呈正态分
出
布。在具高能量的微观区 现
成核，其能量可补偿表面
几 率
能，克服能垒。
能量起伏大小
小结
液态（相）金属结构 结构：长程无序而近程有序，即液态金属由
近程有序排列的原子集团构成。原子集团：能
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。
决定液态金属原子(或离子)分布规律的是原 子之间的交互作用能。所有的关于液态金属结 构的模型和理论，都是力图说明其原子排列与 原子间交互作用能之间的关系，用一种比较严 密的物理和数学表达式来描述结构，并用它来 解释液态金属的各种物理化学性质。
金属液态结构的研究方法
直接测定法：即用X射线衍射、中子衍射等手 段直接测定金属的液态结构，研究液态金属原 子的排列情况；
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）
异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力
及黏度随之提高）
若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合 金液的黏度将会明显高于纯溶剂金属液的黏度，
因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。
表面活性元素 当合金液中存在表面活性元素 （如向Al-Si合金中添加的变质元素Na）时，由 于冷却过程中表面活性元素抑制原子集团的聚集 长大，使金属液黏度降低。
第二章液态金属的结构与性质
第二章液态金属的结构与性质液态金属是具有固态金属的特性，但在一定条件下能够保持液态状态的金属。
液态金属具有独特的电子结构和物理性质，拥有广泛的应用前景。
本章将介绍液态金属的结构和性质。
一、液态金属的结构1.无序结构液态金属的原子排列通常是无序的，没有明显的周期性结构，原子之间的排列相对松散。
液态金属的无序结构使其具有高度流动性，可以自由流动而不会形成固定的晶体结构。
2.短程有序结构尽管液态金属的原子排列是无序的，但是存在一定程度的短程有序结构。
这种短程有序结构表现为原子的局部秩序，通常以团簇形式存在。
这些团簇可以是球形、链状或层状等不同形式。
液态金属的短程有序结构对于其物理性质至关重要。
二、液态金属的性质1.高温熔点大多数液态金属具有较高的熔点，通常远高于室温。
这是由于金属原子间的金属键较强，需要高能量才能破坏金属结构从而转变为液态。
2.高导电性和高热导率液态金属具有优良的导电性和热导率，这是由于金属分子中的自由电子可以在不同的位置自由移动。
液态金属可以在电场作用下产生电流，同时能够迅速传递热量。
3.高黏度和流动性由于液态金属的无序结构，原子之间具有较高的黏度，因此液态金属的粘度通常高于液态非金属物质。
与固态金属相比，液态金属具有更强的流动性，可以适应各种形状的容器。
4.特殊电化学性质液态金属具有独特的电化学性质，可以用作电池电解质、催化剂和导电液体等。
具有液态态度的金属在电池的充放电过程中能够快速地在阳极和阴极之间传输离子。
三、液态金属的应用1.熔盐反应器液态金属可以作为熔盐反应器的媒体，用于高温反应、核聚变研究等。
液态金属的高熔点和优良的导热性能使其成为理想的热传导介质。
2.金属注射成型液态金属可以通过注射成型技术制备具有复杂形状的金属制品。
液态金属被注入到模具中，迅速冷却成型，获得高精度的金属制品。
3.金属蒸气压裂液态金属可以通过蒸气压裂技术将固态材料分解成微米或纳米颗粒。
这种技术被广泛应用于材料制备和纳米材料的研究领域。
材料科学基础第二章材料的凝固
液体
晶核 新的晶核 晶核长大 晶粒相互接触 液体消失,结晶完成
液体
形核
长大
晶粒, 构成多晶体
长大
晶体
结晶的一般过程——形核和长大
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
第三节 金属结晶的原理
一、结晶的热力学条件
金属结晶为什么需要过冷？
第三章 材料制备的基本过程－§3.1 金属的结晶
σ LB σ αB σ αL cosθ
L
式中：
－晶核与基底的接触角(润湿角)；
L－晶核与液相之间的表面能； B －晶核与基底之间的表面能；
LB
LB － 液相与基底之间的表面能。
液相L
S1
晶核
B
r
基底B S2
非均匀形核示意图
在基底B上形成晶核时总的自由能
变化G ：
G VGV GS
GS σ L S1 σ BS2 σ LBS2 σ L S1 (σ B σ LB )S2
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
讨论：
当T ＞Tm 时，G＝Gs－GL＞0， 结晶不能进行。
当T ＝Tm 时，G＝Gs－GL＝0， 液、固两相处于动态平衡，
既能结晶，也会熔化。
当T ＜Tm 时，G＝Gs－GL＜0， 结晶能够进行。
G
T
Gs
GL
T T1 Tm T2
液、固两相自由能随温度 变化的关系曲线
第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理
二、结晶的结构条件
有序原子团－晶到Tm以下时，一些尺寸较大的有序原子 团就会稳定下来，成为晶核的胚芽，即晶胚 (Embyro)，晶胚在一定的条件下能够转变为晶 核。因此，结构起伏是结晶不可缺少的条件。
液态金属的结构与性质研究
液态金属的结构与性质研究液态金属，通常指在室温下处于液态的金属。
液态金属是材料科学中的一个新领域，其结构和性质的研究引起了科学家们的广泛关注。
液态金属能够同时表现出金属和液体的特性，具有许多独特的物理和化学性质。
本文将讨论液态金属的结构和性质的研究进展。
液态金属的结构液态金属的结构是研究液态金属的关键。
液态金属的结构会受到许多因素的影响，如温度、压力和成分等。
液态金属的原子结构在不同的温度和压力下会发生变化，这些变化可以通过X射线衍射和中子衍射来观察和研究。
许多液态金属的结构与晶体的结构有很大的不同。
液态金属的原子之间是无序排列的，没有特定的位置关系，而晶体则是有序排列的，具有规则的结构。
液态金属的无序结构给液态金属带来了更多的自由度和相互作用，使得液态金属具有特殊的物理和化学性质。
液态金属的性质液态金属具有许多特殊的物理和化学性质，使其在许多领域得到广泛应用。
以下是一些液态金属的性质：1.高导电性和热导性液态金属的原子之间的距离相对较小，使得液态金属具有很高的导电性和热导性。
这种性质使得液态金属在电池、电弧炉、热交换器等领域得到了广泛应用。
2.高表面张力和反应性液态金属的表面张力很高，这使得液态金属的分子在接触其他材料的时候能够产生强烈的化学反应。
液态金属的这种反应性使其在制造生物医学器械、电子元件和催化剂等领域得到了广泛应用。
3.独特的机械性能液态金属的机械性能具有独特的特点。
它们的黏度和表面张力比水高，但比其他金属低。
这种性质使得液态金属在制造机器设备、汽车发动机和船舶发动机等领域有着广泛的应用。
结论液态金属的结构和性质是材料科学研究领域中的一个重要课题。
研究液态金属的结构和性质可以帮助我们更好地理解材料科学中的各种现象和过程，同时也使得我们能够开发新的材料和技术。
液态金属的特殊性质使它们在电子、航空航天、生物医学和化学工业等领域得到了广泛的应用，我们相信，在未来，液态金属的应用前景将不可限量。
液态金属的结构和固态相变
•
因此，金属熔化后体积的增大量与温度和压力的关系是：
V
V0
Nv e (U0 pvo ) / KT o
该式是建立在缺位原理基础上的液体状态方程式，适用于温 度接近熔点的液态金属。
对于很高温度下发生的液/气转变，则关于缺位的概念就失去 了其物理意义和几何意义。
由上式可见 压力P ↑ 缺位数 ↓ 液体体积V ↓
N ' eU / KT N
式中 U‘－形成缺位所需的能 量（即蒸发潜热）； k－Boltzmann常数。
• 如果缺位的尺寸大小一样，则为形成缺位所需的能量 相等。而Ｕ‘本身则取决于对液态金属所施加的压力：
U U 0 pv0
U0－在没有外界压力时，为形成缺位所需的能量； p －外界施加的压力。
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。
液态金属结构的研究方法
1、间接方法：通过固态—液态、固态—气态转变后物理性质 变化判断原子结合状况；
2、直接方法：X射线衍射（或中子线）进行结构分析。
1. 物理性质变化
几种常用金属熔化时的体积变化
金属 Sn Zn Mg Al Ag Cu Fe Ti
但对于液态金属而言，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。原子密度分布曲线是一条呈波浪 形的连续曲线。
现象分析：1、连续，2、有峰，3、峰位
2-1 700℃
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。
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1、原子间保持较强的结合能； 2、原子排列小距离内（仅在原子集团内——几十到几 百个原子的集团）有规律——近程有序； 3、原子集团处于瞬息万变状态——能量起伏； 4、原子集团之间存在“空穴”，共有电子运动发生变 化；（电子难飞跃“空穴”，电阻率升高） 5、原子集团尺寸、速度与温度有关。（温度升——尺 寸降、速度大）
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（2）铸型性质方面因素
1 ）型的蓄热系数：指铸型从金属吸取并储存在本身中 热量的能力。 型的蓄热系数大——型激冷能力强——金属保持液 态时间短——充型能力下降。生产中可用涂料调整。 2）型温度 预热型 —— 减小型 / 金属液温差 —— 充型能力提高。 3）型中气体 型能发气 —— 金属 / 型间形成气膜 —— 减小摩擦阻 力——易充型。 但是：气太多——反压力大，浇不进去：翻腾、飞 溅。 解决方法：（1）降低含水、发气物含量； （2）提高型透气性。
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二、充型能力
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1、概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、 轮廓清晰铸件的能力。 2、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施 内因：自身流动性 外因：型的性质、浇注条件、件结构
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（1）金属性质
1）合金成分
纯金属、共晶成分合金和金属间化合物的地方，流动性有最大值。 （1）凝固点固定； （2）逐层凝固； （3）凝固层内表面平滑，阻力小； （4）流动时间长。 有结晶温度范围的地方流动性下降，在最大温度范围处，流动性最差。 （1）凝固温度区间； （2）断面存在两相区； （3）前端枝晶数多，粘度大，流速小。
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2．3 液态金属的流动 性及充型能力
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一、流动性
1、概念：液态金属本身的流动能力。 2 、影响因素：成分、温度、杂质含量及物理性质。与 外界因素无关。 3、作用：好的流动性利于缺陷的防止： （1）补缩；（2）防裂；（3）充型；（4）气体与杂质 易上浮。 4、测定：浇注流动性试样。 试样结构、铸型性质、浇注条件相同，改变合金成 分，测试样长度。
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2）结晶潜热 纯金属、共晶成分合金：凝固点固定，潜热能发挥，利于 流动；
结晶温度范围宽的合金：散失部分潜热后晶粒成网，阻塞 流动，潜热难发挥。对流动性影响不大。
3）比热、密度、导热系数 比热、密度大合金：含热量多，保持液态时间长，流动性 好。 导热系数小合金：散热慢，流动时间长。
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（4）铸件结构方面的因素
通常用铸件的“折算厚度”和复杂程度衡量铸件 结构特点。 1）折算厚度：铸件体积与表面积的比值。 折算厚度大，与型接触面积相对小 —— 散热慢 — —充型能力高。 2）复杂程度 厚、薄部分过渡面多、型腔结构复杂：流动阻力 大——充型难。 综上所述，影响因素多，错综复杂。必须抓主要矛 盾，采取措施加以解决。
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3、粘度对材料成型的影响 （1）金属液净化（气体、杂质的排出）； （2）流动阻力与充型； （3）凝固过程中的对流。
stocks原理
4r 3 g ( m B ) 2 gr2 ( m B ) 3 6r 9
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二、表面张力
1 、概念：金属液表面质点因受周围质点对其 作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的 绷紧力或单位表面积上的能量，称表面张力。
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（3）浇注条件方面因素
1）浇注温度 温度高——充型能力强。 但超过某界限，吸气多、氧化严重，充型能力提 高不明显。 生产中，对薄壁件及流动性差合金，可提高浇温。 缺点：浇注温度高 —— 组织粗大、缩孔、缩松、 粘砂、裂纹易产生。
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2）充型压头 压力大——充型好 生产中，增加金属静压头。但压头也不能过高。 缺点：充型速度过大，产生喷射、飞溅（氧化、铁 豆）；气体不易排出（浇不足、冷隔）。 3）浇注系统的结构 复杂——流动阻力大——充型能力下降。
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4）粘度 层流：影响大。停流前一刻，通道面积小，粘度大。 紊流：影响小。实验证明，除停流前一刻，均为紊流。 5）表面张力 对薄壁件，件的细薄部分有影响； 通常不润湿，阻碍型腔充填。
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综上所述，为提高充型能力，在金属方面采取以 下措施： 1）正确选择合金成分：尽量选共晶或结晶温度范围小 的合金； 2）合理的熔炼工艺——减粘、减表面张力 原材料：去杂质 熔炼：少接触有害气体 熔化后：脱氧、精炼
材料成形原理 第二章 液态金属的结构与性质
材料成型与控制专业
，并 在宏观上呈无规则排列的原子集团，叫液态金 属。 为什么研究液态金属的结构与性质？ 因为对铸件有以下影响： （1）结晶过程； （2）晶粒组织； （3）缺陷：偏析、气体、非金属夹杂物。
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二、理想纯金属的液态结构特点
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三、实际金属的液态结构特点
1、存在大量杂质原子 （1）杂质是多种多样的，非一种； （2）杂质分布不均匀； 浓度起伏：游动原子集团之间存在成 分不均匀性； 结合力不同：结合力强的易聚； 能量起伏：各原子间能量不同或各原 子团尺寸不同。
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（3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。 A 、 B 结合力较强 —— 形成新的化学键 —— 临时不稳定化合物；（低温化合，高温分解） A 、 B 结合力非常强 —— 形成强而稳定的化 合物——新相； B-B 、 B-A 结合力小于 A-A ，则 A-A 原子聚 集 ——B 被排斥在集团外或液体表面 —— 降低 表面张力——表面活性元素。
dv dx
η 为动力粘度，τ 为切应力，dv/dx为速度梯度。
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2、影响因素 粘度大小由液态金属结构决定，与温度、压力、 杂质有关。 （1）温度：温度升——粘度降； （2）化学成分： 1）杂质数量、形状和分布，影响粘度； 固态杂质——粘度增大；杂质多——粘度增大。 2 ）同一合金，成分不同 —— 粘度不同。接近共晶成 分——粘度降低。
气相
液相
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2、影响因素 （1）温度 多数：温度上升——表面张力下降； 反常：温度上升——表面张力升高，如铜、铁。 （2）溶质（杂质） 表面活性物质：表面张力下降——正吸附； 表面非活性物质：表面张力升高——负吸附。 （3）液体的性质 不同液体，表面张力不同。
3、表面张力对材料成型的影响 对金属晶体形核（形核功）及生长（结晶形态）、 机械粘砂、缩松、热裂、夹杂及气泡等有影响。
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3、实际金属液态结构 ——非常复杂。
（1）也存在游动原子团、空穴及能量起伏； （ 2 ）原子团、空穴中有各种合金元素及杂质 元素； （3）存在浓度起伏； （4）存在不稳定或稳定化合物（固、气、 液）。
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2.2 液态金属的性质
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一、粘度
1、概念：液体在层流运动情况下，各液层间有摩擦阻 力——粘度。 用牛顿粘性定律表达：