液态金属的结构与性质2014
合集下载
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
液态金属的结构和性质PPT课件
战国时代的“冰 箱”——曾侯乙冰鉴
第6页/共58页
明永乐大钟，铸于永乐18年前后 （公元1418～1422年），中国现存 最大的青铜钟。
铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等， 最厚处185毫米，最薄处94毫米，重 约46吨。钟体内外遍铸经文，共 22.7万字。铜钟合金成分为：铜 80.54％、锡16.40％、铝1.12％， 为泥范铸造。
中国压铸产业基地——浙江宁海县
宁海县有压铸生产企业有300多家，呈现以下四大特点：一是产 业配套 一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是 企业管理上台阶；宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地， 计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现 代化压铸产业园，到2015年，力争压铸行业总产值达到150亿元。
1.2 液态金属的结构
• 液态金属的结构分析(表观特征)
㊣ 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）；
表
㊣ 不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体
观
的原子或分子之间的结合力没有固体中强
特
（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
图1-1 原子间的作用力
第19页/共58页
1.1固态金属的加热、膨胀及熔化
• 1.1.2
金属的加热膨胀
当温度升高时，原子振动能量增加，振动 频率和振幅增大。以双原子模型为例，假设左 边的原子被固定不动而右边的原子是自由的。 则随着温度的升高，原子间距将由 R0→R1→R2→R3→R4；原子的能量也不断升 高，由W0→W1→W2→W3→W4。原子间距随 温度升高而增加，即产生膨胀，如图1-2所示。 膨胀只改变原子的间距，并不改变原子排列的 相对位置。
第1章—— 液态金属的结构与性质-2014
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”，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 一起而把别的原子排挤到别处，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
一、液态合金的粘度
（一）液态合金的粘度及其影响因素
1、粘度：又称粘度系数。液体在流动时，在其分子间产生内摩
擦的性质，称为液体的粘性。粘性大小用粘度来表示。是用来 表征与液体性质相关的阻力因子。依牛顿提出的关系式来定义：
z
dvx τ=η dy
O
v2
v3
v1
x
dy η=τ dvx
v4
...
y
v5
2、粘度的物理意义：表示 作用于液体表面的外加
了解
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
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臵作热振动（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
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。
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。
液态金属的结构和性质
表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。
稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的 径向分布函数（RDF）
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳 层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积；
rm
N1 4 0g(r)r 2dr
r0
N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数， 因为它们描绘了液体的原子排布情况。
一.液态金属的黏度及其影响因素 1.液体黏度的定义及意义 2.黏度的影响因素
1.液体黏度的定义及意义
黏度系数---简称黏度(动力黏度η )，是根据 牛顿提出的数学关系式来定义的：
dvx
o
dy
τ —平行于X方向作用于液体表面
Z
δ
τ
X
V1
V2 V3
V 4
（X-Z面） 的外加剪切应力，
V5
......
通常，表面活性元素使液体黏度降低，非表面 活性元素使黏度提高。
（3）非金属夹杂物 液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属
的黏度增加，如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅 等。这是因为夹杂物的存在使液态金属成为不均 匀的多相体系，液相流动时内摩擦力增加，夹杂 物越多，对黏度影响越大。但有些熔点低的杂质 在液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属 的黏度降低。
量不稳定、结构尺寸不固定。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子
配位数较小、原子排列较混乱。
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
不同温度下液态金属原子的状态
1.2 液态金属的性质
1.2.1 液态金属的黏度 1.2.2 液态金属的表面张力
稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的 径向分布函数（RDF）
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳 层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积；
rm
N1 4 0g(r)r 2dr
r0
N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数， 因为它们描绘了液体的原子排布情况。
一.液态金属的黏度及其影响因素 1.液体黏度的定义及意义 2.黏度的影响因素
1.液体黏度的定义及意义
黏度系数---简称黏度(动力黏度η )，是根据 牛顿提出的数学关系式来定义的：
dvx
o
dy
τ —平行于X方向作用于液体表面
Z
δ
τ
X
V1
V2 V3
V 4
（X-Z面） 的外加剪切应力，
V5
......
通常，表面活性元素使液体黏度降低，非表面 活性元素使黏度提高。
（3）非金属夹杂物 液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属
的黏度增加，如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅 等。这是因为夹杂物的存在使液态金属成为不均 匀的多相体系，液相流动时内摩擦力增加，夹杂 物越多，对黏度影响越大。但有些熔点低的杂质 在液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属 的黏度降低。
量不稳定、结构尺寸不固定。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子
配位数较小、原子排列较混乱。
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
不同温度下液态金属原子的状态
1.2 液态金属的性质
1.2.1 液态金属的黏度 1.2.2 液态金属的表面张力
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。
第一章 液态金属-
例2 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，而金属液和熔渣中的动力学粘度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 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： 流体力学的斯托克斯公式： 可见，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。
液-液结构转变新发现及启示
2．温度诱导非连续液-液结构转变的发现 合金熔体在液相线以上是否会发生温度诱导的非连续液-液结构转变？ 科学意义：温度诱导非连续液-液结构转变这一物理现象的发现，从另一角度 提出了改变液体结构和性质连续变化的传统观念的必要性，而且，它对于工程技 术领域比压力诱导液-液结构转变的发现更具有实际意义，因为揭示了“凝固组 织与熔体热历史相关” 现象的物理本质。无疑，随着研究的深入，对凝固微观 机制及新材料的研究与开发必将产生深远的影响. 如“液体金属”——深过冷技术产物
2、从X射线衍射分析认识液态金属
偶分布函数g(r) 的物 偶分布函数 理意义： 理意义：距某一参考 粒子r 粒子 处找到另一个 粒子的几率，换言之， 粒子的几率，换言之， 表示离开参考原子 处于坐标原点r=0） （处于坐标原点 ） 距离为r 距离为 位置的数密 度ρ(r)对于平均数密 对于平均数密 度ρo（=N/V）的相 （ ） 对偏差。 对偏差。 ρ(r)= ρo g(r)
纯金属（小两相区合金）的停止流动机理
液态金属的结构和性质
新型液态金属材料的 研究
通过合理设计晶体结构，可以实 现液态金属的形状记忆作用，这 对于制造细小弹簧等的微系统件 具有重要意义。
液态金属技术在逐渐 增长的产业中的应用
例如液态金属的能量变形和动力 学表征，液态金属的应用在未来 的产业发展中具有广泛的前景和 意义。
液态金属的发展历程
液态金属的最早实验可以追溯到18世纪，但真正形成规模化研究还是在20世 纪60年代，随着液态金属的广泛应用，液态金属的领域将会得到更多的拓展。
2 长时间电解时的热效应
液态金属电解很容易因长时间操作而产生过量的热量影响工业生产。
3 难于处理的反应性个体
液态金属中有许多化学反应难以控制，因为它们处于非常活跃的电子状态。
未来液态金属的研究方向
性能改善
在液态安全使用液态金属的过程 中，新的活性液态金属材料也总 是受到人们的期待。
结论与展望
总结本次液态金属的结构和性质的讲座中，可以看出在我们日常生活和大规模的工业生产中液态金属都扮演着不可 或缺的角色。同时，液态金属在新材料、新技术方面也一直处于人们的瞩目之下。
制备新型催化剂
以细金属液滴为基础的催化剂 可以提高催化活性，促进各种 有机卤化物和芳香烃化合物的 亲电取代反应。
高速传输液态金属技术 的应用
液态金属电控阀和液态金属离 子引擎等技术可用于表面动力 学研究和科学远洋。
液态金属的挑战
1 液态金属化学的不稳定性
液态金属化学中发现了一些稳定性不高的元素，在长时间电化学反应下会转化为其他物 质。
合金化对液态金属性质的影响
生成
通过将不同金属原子的化合物混合形成合金，可以改善 液态金属的某些物理特性，例如延展性和软化。
调节
在不同的合金化组合中，可以通过调节原子间距和比例 来调节液态金属的性质。
液态金属的结构与性质(共71张PPT)
固体无异——近程有序。
因此，关于液体，有两种说法：
〔1〕本质上是密集的气体；
〔2〕高度有缺陷的晶体。
4、固液在外力下，外观的变化
液体：外力——改变形状——流动〔如重力下—水由高
处流向低处〕；
固体：剪应力——弹性变形；外力去除—变形消失。
即：固体不能流动。
2022/8/19
12
5、其它方面
当它与所选原子相距较远的距离 时，原子排列进入无序状态。
说明：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。
3
2
1
2022/8/19
11
3、液体的流动特性——像气体；
但体积特性、热特性——像固体——局部原子排列与
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体的生长
液体的结构信息
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
热力学性质及在液相中的扩散速度
炼钢、铸造合金及焊接熔池的精炼
2022/8/19
4
5、相变
相变化过程：液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件下相之 间的转变过程。即：相变过程。
2022/8/19
27
〔3〕对凝固过程中液态合金对流的影响
液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓 度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力 大于或等于粘滞力时那么产生对流，其对流强度由无量 纲的格拉晓夫准那么度量，即
※产生对流的条件：温差和浓度差→浮力>粘滞力
※对流强度--格拉晓夫准那么数：
九年级(初三)化学 第三章液态金属的结构和性质.ppt
PAdV (P P0)dV dA
对于球形气泡
V=4πr3/3, dV= 4πr2dr
A= 4πr2, dA= 8πrdr
所以：dA/dV=2/r
故： PA=2σ/r 可见附加压力与表面张力成正比,
与界面曲率半径成反比。
气泡法测定附加压力示意图
25
Young－Laplace方程
PA (1/ R1 1/ R2)
29
（五） 对铸型工艺的影响
冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于 防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需 要克服附加压头。
h 2 LG cos R g
不浸润时管孔中的附加压头
30
4
5
2. 熔化
—金属从规则的原子排列突变为紊乱的 非晶质的过程，该过程中吸收的热量除了 使体积膨胀做功外，还增加了系统的内 能。 实践证明，金属熔化从晶界开始。
6
二、液态金属的结构 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
接触角又称润湿角。
28
（四）影响表面张力的因素
1. 熔点（原子结合力） 熔点高的物质，其原子结合力大，表面张力大
2. 温度 多数金属和合金，温度升高，表面张力降低； 但少数合金，如铸铁、碳钢、铜及其合金等随 温度升高表面张力升高。
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质； 使表面张力升高 —非活性物质；
R1 R2
R1,R2界面上两个相互垂直弧线的曲率半径 当为球状时
p 2
R
23
2.弯曲液面的附加压力
24
附加压力的推导：设想在液态钎料内部形成一个球形的气泡, 气泡的半径为r,当温度一定时液体所受的压力为P。当压力 P发生微小变化时,则气泡的表面积A和体积V均发生微小改 变dA和dV,则有：
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。
金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
· 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射线所得到液态和固 态金属结构参数见表22。
由图2-1和表2-2分析得出：
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（如各种氧化物及硫化物等）和 气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，
粘度 较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件
残留的（或二次形成的）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
·原子集团的平均尺寸和游动的速度与温度有关，
温度越高，其平均 尺寸越小，游动速度越快。 图2-2为不同温度下，液态金属结构示意图。
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
图2-2 不同温度下液态金属结构示意图
三、实际液态金属的结构
• “能量起伏” ——各个原子集团的动能不同
• “结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域
第二章 液态金属的结构与性质
§2-1 液体的分类及其基本特征
一、液体的分类
· 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）
二、 液体的表观特征
• 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
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四、液态金属结构的理论模型（自学）
（一）无规密堆硬球模型——RCP
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 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 四面体 73%
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
配位数N1：RDF第一峰之
下的积分面积
N 1 4 0 g r r 2 dr
r0
rm
N1 表示参考原子周围最近邻 (第一壳层)原子数（如图） r1 表示参考原子与其周围第 一配位层各原子的平均原子 间距，也表示某液体的平均 原子间距
图 液体配位数N1的求法
液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的结构参数
Hale Waihona Puke 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
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
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（具体见书 中的表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大于固 体而远小于气体
金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为3%~7%。 表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体金属内 原子的局部分布仍有一定规律。即固态向液态转变时，原子的 结合键破坏有限，液态和固态的结构是相似的
*三、液态金属结构的研究方法
间接方法：即通过固-液、固-气转变后一些物理性质的 变化判断液态原子的结合状况
直接方法：X射线衍射分析研究液态金属原子排列状况
*四、液体与固体、气体的比较
第二节
液体金属的结构
一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征
二、由物质熔化过程认识液态金属的结构 三、实际金属的液态结构 四、液态金属结构的理论模型
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）
原子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的特征、结构和性质
最显著特征：流动性
*结构特征：“远程无序”而“近程有序”
物理性质：密度，粘度，导电率，热导率，扩散系数
物化性质：等压热容，等容热容，熔化和气化潜热，结 晶潜热，表面张力，界面张力 热力学性质：蒸汽压，膨胀和压缩系数
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”，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 一起而把别的原子排挤到别处，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
（三）液态金属的径向分布函数 偶分布函数g (r) 的物理意义：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(处于坐标原子r = 0)距离 为r的位置的数密度ρ (r) 对于平均数密度ρ 0（=N/V）的相对偏差
r 0 g r
○
1、当r（距离参考原子的距离）小于原子的半径，由于原子斥 力， r =0 2、当r（距离参考原子的距离）较大时，r , r 0 相当于非晶态 3、也就是说，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态 相似，而在远距离范围内就缺乏有序排列了
20%
3% 3% 1%
（二）液态金属结构的晶体缺陷模型
1、微晶模型 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微晶 体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以 界面相连接 微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该 模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释 2、空穴模型 晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴，从 而使液态金属微观结构失去了长程有序性。大量孔穴的存在使液 态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提 高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小
径向分布函数（RDF）
4r 0 gr
2
上式表示在 r 和 r+dr之间的球 壳中原子数的多少。图中带点 的红色曲线为稍高于熔点时 （白色）各种液态碱金属的径 向分布函数变化 平均原子间距 r ：对液态，对 应于 RDF 第一峰的位置， r = r1 表示参考原子至其周围第一 配层各原子的平均原子间距
了解
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
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
2、固态Au的X射线衍射图像为分布规则的亮斑（点），显示出了与特定 晶面反射相一致的衍射斑，原子排列较规则