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
2、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，此时粘度对流动的影 响就会直接影响到铸件的质量
3、影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：各种精炼工艺，希望尽 可能彻底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，残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应在金属完全 凝固前排出去，否则就形成了夹杂或气孔，破坏金属的连续 性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比
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
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
/
1) 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
2) 当采用了运动学粘度系数之后，ν金和ν水两者近乎一致。故 在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：在外力作用非常小的情况下适用。如夹杂上浮过 程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关
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
（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的位臵的数密度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，液态原子的排列位臵与固态 相似，而在远距离范围内就缺乏有序排列了
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 通常，表面及界面活性元素使液体粘度降低（抑制合金液冷却过 程中原子团的聚集长大），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
粘度在金属铸造和焊接生产技术中均具有很重要的意义。为了说 明问题，先引入运动学粘度及雷诺数的概念 运动学粘度：动力学粘度除以密度，即
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
3 、粘度的量纲及单位： 量纲为 M· L-1· T-1 ；常用单位 Pa· S 或
mPa· S。工业上动力粘度单位用Pa来表示，即1克/厘米· 秒=1Pa
4、粘度的影响因素 1）通常液体粘度表达式
式中：

2k B T
第 一 章
液态金属的结构与性质
授 课：刘 洪 喜
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
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 第一峰的位臵， 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
3、位错模型 液态金属可看成是一种被位错芯严重破坏的点阵 结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错） 的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。高位错 密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性，同时 使液态金属在外力的作用下具有流动性，对粘滞系数、原子扩散 系数和晶体的生长等也能进行较好的解释
流体力学的斯托克斯公 式
2 g r 2 m B 9
(使用条件： Re
2r 1)
可见，粘度η 较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，会影响精 炼效果；在铸件及焊缝凝固过程中，夹杂物和气泡难以上浮排 除，易形成夹杂或气孔 4、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，冶金反应均在金属液与熔渣的界面进行，金属 液中杂质元素及熔渣中反应物要不断向界面扩散，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
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
4、综合模型 在液态金属中由于热运动的存在，不同的部位有 着不同的运动方式，因此处于不同部位的原子受到力的方式大小 也不相同，产生的缺陷也就不单一了，这样也就形成了多种缺陷 模型的综合现象
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展 （了解）
第三节 液体合金的性质
一、液态合金的粘度
二、液态合金的表面张力
虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
（4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响（M-H模型）
Hm x11 x2 2 1 2 RT
M-H模型：η1——纯溶剂的粘度；η2——溶质的粘度；X1、X2 分 别为纯溶剂和溶质在溶液中的摩尔分数，R 为气体常数，H m 为 两组元的混合热 Hm x11 x2 2 1 2 RT 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）
（1）液体粘度η 随原子间结合能U 按指数关系增加：这可理 解为，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 U 2k B T 3 0 exp k BT （2）粘度随原子间距δ增大而降低，与 δ 3 成反比
（3）η 与温度T 的关系：受两方面（正线性关系和负指数关 系）共同制约，但总的趋势随温度T 而下降（见下图） 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