液态金属的结构与性质

①黏度对液态金属充型速度的影响
流体的流动状态由雷诺数Re来决定，当Re>2320时，流体以紊流方式流动。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
黏度在材料成形中的作用和意义:
②粘度对流动阻力的影响
紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型。
实际应用： 一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，
6.扩散系数
液态时空位数大大增加，大约10个原子中就有一个空位，因此 扩散速度大为加快，液态中扩散速度比固态晶体中大102～105倍。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
※粘滞性：对金属的流动特性、充型、金属中气体和夹杂的上 浮、补缩有明显影响。
※粘度:液体在层流运动的情况下，各液层间有摩擦阻力，称为液体的内摩
对大多数合金而言，熔化所吸收的热量包括：①真 正的熔化热；②从固相线加热到液相线所吸收的热量。
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第三节 液态金属的性质
2.沸点和蒸发热
各种金属的沸点差别很大。熔点和沸点无直接关系， 利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损量，蒸发热远高于熔化 热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。
金属 熔点℃ 沸点℃
Al
图２－７
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8.液态金属的表面张力
②表面张力引起的附加压力 ※附加压力： P 2
方向：
r
△P △P
※通用计算公式（课后作业）
T高，乘数项将起主要作用，T
,η
实际液态金属过热度不高时，系数的变化是次要，
故可认为液态金属的粘度因温度升高而降低。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素： ②化学成分 粘度本质 原子间的结合力（与熔点有共性） 难熔化合物的粘度较高，而熔点 低的共晶成分合金其粘度较低； 状态图
Zn Sn
660.2
419.5 231.9
2450
906 2270
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第三节 液态金属的性质
3.比热容
4.导热性
比热容小，结晶时铸件断面温差大， 容易出现集中缩孔。
导热性好，冷却速度快，金属断面 温度梯度小，热应力小。
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第三节 液态金属的性质
5.热膨胀和凝固收缩
绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后体积变小，密 度增大。液态金属比固态金属具有更大的热膨胀率，这主要是由于液 态金属内部的热运动使空位和空穴增加。固态晶体中空位数大约为 10-3～10-6，随温度上升，空穴数不断增加，当金属熔化时空位和空 穴数显著增加，液态体积也明显膨胀。但也有例外：Bi、Si等。合金 的凝固收缩往往和合金的种类、成分及其中是否存在气体有关。
只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降， 才出现层流。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
粘度在材料成形中的作用和意义: ③对液态金属对流的影响 ※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
27.8
Au
Cu Fe Zn Cd Mg
1063
1083 1536 420 321 650
3.06
3.11 3.63 1.73 1.53 2.08
2950
2575 3070 907 765 1103
81.8
72.8 81.3 27.5 23.8 32.0
26.7
23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
①金属加热时，Em增加； ②金属的熔化首先是从晶界开始； ③当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之 间更容易产生相对运动；
晶内
晶界
6
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
④熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要
继续提供能量使原子间的结合进一步破坏；
⑤与固态比较：

体积变化：固→气：体积无限膨胀； 固→液：体积3～5％， 原子间距1～1.5％；
“结构起伏”
“能量起伏”
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第二节 液态金属的结构
液态金属是由许多“游动的原子集团”所
组成，在集团内可看作是空位等缺陷较多 的固体，其原子排列和结合与原有固体相 似，但存在很大的能量起伏，热运动很强。 原子集团间存在空穴。温度越高，原子集 团越小，游动越快。 故液体既有很好的流动性，只要在重力场 的作用下，其外形就行随容器而变化。
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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
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“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

“浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间的原
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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第三节 液态金属的性质
1.熔点和熔化潜热
确定熔炼和浇铸温度 纯金属在一定的温度下熔化及凝固，而大部分合 金（除共晶成分合金）则在一个熔化（或结晶）温度 区间。熔化温度区间的大小取决于合金的种类和化学 成分，同时也影响金属的流动性、铸件的结晶过程及 宏观组织，因而也影响逐渐的质量和性能。

熔化潜热：仅为升华热的3～7％；
7
表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）
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
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。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的黏度
黏度在材料成形中的作用和意义: ④对液态金属净化的影响 ※斯托克斯公式：
Ｖ＝２g(ρ
液- ρ
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 。
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1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
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第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 以仅含一种杂质元素为例:
①A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液
中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；



由于力F的作用，薄膜被拉长Δl ，则F对薄膜所 做的功ΔW为 ΔW=FΔl =σbΔl=σΔS 做功使得薄膜能量增加ΔE，因此ΔE=ΔW=σΔS 则σ=ΔE/ΔS 故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。
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8.液态金属的表面张力
②表面张力引起的附加压力 ※附加压力：△Ｐ＝Ｐ１－Ｐｇ
11
700℃时液态Al中原子分布图
12
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 ①原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的 距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。 ②原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规 律性。(固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集 团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到 很大破坏) ③原子集团时刻在变化； ④原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在 “空穴”；（解释：大部分金属熔化时电阻率增 加？） ⑤ 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。
1
第一章 液态金属的结构和性质
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 成形 固体金属的加热与熔化 液态金属的结构 液态金属的性质 液态金属的充型能力 半固态合金的流变性及半固态
2
第一节 固体金属的加热与熔化
1. 固体金属的热运动 由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑 力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之 间的平衡关系，如图所示 2.金属的熔化
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第三节 液态金属的性质
8.液态金属的表面张力
①表面张力的本质 ※概念：表面，表面张力，表面自由能，界面 △ W=σ △ Ａ = △ F
表面张力
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8.液态金属的表面张力
①表面张力的本质

薄膜宽度为b，受一个绷紧力F，则 F=σb σ为表面张力系数，或表面张力（N/m） 物理意义：薄膜单位长度上所受的绷紧力。
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第二节 液态金属的结构
3. 液态金属结构理论
1.凝聚理论：把液体看做稠密气体，用气体动力学理
论来解释液体金属结构。
2.点阵理论：在晶体点阵中引入各种缺陷来描述液体
金属结构。
3.几何理论：球体密集堆积。
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第三节 液态金属的性质

物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩
散系数等；

7.液态金属的粘度
运动粘度： V=η /ρ
运动粘度物理意义： 表征液体质点保持自身运动 方向的惯性大小。
粘度系数η＝(2τ0kTeQ/kT )/δ3
粘滞性的本质是质点(原子)间结合力的大小
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素： ①温度
T小，指数项比乘数项的影响大，T ,η
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素： 随碳含量增加，溶液的粘度下 降且在亚共晶成分前熔点也随 之下降。当温度一定时，随碳 含量增加，过热度增加，粘度 下降。
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第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
黏度在材料成形中的作用和意义:
9
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
因此，金属的熔化并不是原子
间结合的全部破坏，液体金属 内原子的分布仍具有一定的规 律性，其结构类似于固态。而 不是类似气体，只是原子的热 运动加剧。
10
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 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. 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，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。
２/9η )r 杂
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
35
课堂作业
1.钢液中的MnO，当钢液为1550℃时， η =0.0049N•s/m2。γ 液=7000×9.81N/m3， γ 杂=5400×9.81N/m3，对于r=0.0001m的球 形杂质，其上浮速度为多少？ 2.铝液中的Al2O3，当铝液为780℃时， η =0.00106N•s/m2。γ 液=2400×9.81N/m3， γ 杂=4000×9.81N/m3，对于r=10-6m的球形 杂质，其下沉速度为多少？
3
图1 金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系 图2 加热时原子间距和原子势能的变化
4
第一节 固体金属的加热与熔化
金属的膨胀及熔化
能量起伏(内蒸发):空穴的产生
温度愈高，原子的 能量愈大，产生的 空穴数目愈多，金 属膨胀。
5
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）
Fe
Al Ag
bcc/fcc
fcc fcc
1809
931 1234
3.6
6.9 3.51
7.61
11.6 9.16
Cu
Mg Zn
fcc
hcp hcp
1356
924 692
3.96
2.95 4.08
9.71
9.71 10.7
Sn
Ga N2 Ar CH
complex
complex -
505
303 63.1 83.78 90.67
2.4
-2.9 7.5 14.4 8.7
13.8
18.5 2.7 3.36 2.47
8
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
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；
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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。
擦，妨碍液体的流动。此种内摩擦阻力是液态金属的物理特性之一，称为粘 度。金属的流动性就是粘度的倒数。粘度是由液态金属的结构决定的，而结 构又与温度、压力、杂质含量有关。
※牛顿流体: η=F/(Sdv/dx)
当速度梯度为1时,相邻液层 ※动力黏度物理意义: 间单位面积上的内摩擦力;
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第三节 液态金属的性质