液态金属性质ppt课件
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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
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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
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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。
金属的液态成形原理资料PPT课件
合金成分和温度
铸件的收缩
铸型、型芯条件
铸件结构
第23页/共47页
常用铸造合金的收缩率
合• 金铸造合含金从碳浇量注，凝固浇直注到至冷却液到态室温的过凝程固中，其体固积或态尺寸缩总减收的现缩 种类象，称（为收%缩）。收缩是温铸度件产生缩收孔缩、缩松、收裂缩纹、变形收的根缩源。 （%）
• 液态收缩
铸造• 碳钢•
（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
第34页/共47页
（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸 件
产生变形和裂纹的基本原因。
按阻碍收缩的原因分为：
1）热应力
《液态金属的凝固》课件
《液态金属的凝固》PPT 课件
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
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
液态金属结构与性质PPT课件
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 第四节 液态金属的充型能力
第1页/共58页
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
第2页/共58页
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），
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， 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
双原子模型
第14页/共58页
当R→∞时， F→0。
➢当两原子靠近时，原子间产生吸引力
(合力 F<0 )增大，到达R=R1时，F为最 大吸引力（能量曲线拐点）。
第4页/共58页
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。
第5页/共58页
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
• 热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度
铸造合金及焊接熔池的精炼
第6页/共58页
第二节 液态金属的微观结构
一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 二、 由物质熔化过程认识液体结构 三、液态金属结构的理论模型
第1页/共58页
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
第2页/共58页
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），
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， 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
双原子模型
第14页/共58页
当R→∞时， F→0。
➢当两原子靠近时，原子间产生吸引力
(合力 F<0 )增大，到达R=R1时，F为最 大吸引力（能量曲线拐点）。
第4页/共58页
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。
第5页/共58页
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
• 热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度
铸造合金及焊接熔池的精炼
第6页/共58页
第二节 液态金属的微观结构
一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 二、 由物质熔化过程认识液体结构 三、液态金属结构的理论模型
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。
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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
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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
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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。
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〔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：
第一章 液态金属的性质(3)
2
对液态金属净化的影响
F浮＝V（ 液 杂 g ） Re 1, F阻＝6rv F浮＝F阻 4 3 r（ 液 杂 g ） 3
2 ） 2 r（ 液 杂 g v 9
二、表面张力
1.基本定义 表面：液体或固体同空气或真空接触的面 表面现象：两相接触面出现的表观现象
剖面图
Ps = Po - Po =0
液面正面图
（2）在凸面上： 研究以AB为弦长的一个球面上的 环作为边界。由于环上每点两边的表 面张力都与液面相切，大小相等，但 不在同一平面上，所以会产生一个向 下的合力。 所有点产生的总压力为Ps ，称为 附加压力。凸面上受的总压力为：Po+ Ps 。 Po为大气压力， Ps为附加压力 附加压力示意图
5.表面张力对在材料成形中的意义
２R
180°－θ
p
h
r 静压头：
2 2 2 cos( ) P o r R /cos( 180 ) R
P gh
2 cos( ) 2 cos( ) gh h R gR
三、本节小节
1.液态金属的粘滞性
剖面图
（3）在凹面上：
研究以AB为弦长的一个球形凹面 上的环作为边界。由于环上每点两边 的表面张力都与凹形的液面相切，大 小相等，但不在同一平面上，所以会 产生一个向上的合力。
剖 面 图
所有的点产生的总压力为Ps ， 称为附加压力。凹面上向下的总压 力为：Po-Ps ，所以凹面上所受的 压力比平面上小。 附加压力示意图
a.表面张力的 大小
W S F F S
宏观
J N m N 2 2 m m m 4 ( Ze) 2 3 R
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结晶。
图1-2 液态金属结构示意图
1.1.2 粘度理论
液态金属是有粘性的流体。 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方
向运动。 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运
动时，会产生摩擦阻力。 当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，
在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘 度。 粘度的单位是Pa·s。
►►液相成型
固态金属
按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列 的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
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？
由相关热力学公式可得：
W dF
dA dA
此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系 统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。
图1-1 700℃液 态铝中原子密
度分布线
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线与固态时的 分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接 近，其配位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。
金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就是原子 由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，
从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态 或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态） 的转变均属于结晶过程。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次
• 表面张力：
使液体趋于球状的力
•表面张力引起的附加压力
p=2σ/r
——球状
p=(1/r1+1/r2) σ ——任意形状
由此可见，表面张力是表面S内垂直F方向 的单位长度上的拉紧力；
也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功， 称之为表面能。
表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同， 如表面张力为10-1N/m，则子 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一定 距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r 和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。
但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪 形的连续曲线。
这是由于当金属转变为液态时，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。
• 影响液态金属的流态 •影响液态金属的对流 •影响液态金属的净化
1.1.3 表面和界面张力
表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。
A、表面张力和表面能 表面张力：在液体表面内产生的平行于液 体表面、且各向均等的张力，称之为表面张力。
表面张力是气/液界面现象，它的的大小与 液相和气相的性质有关。
产生张力的表面层厚度不超过10-7cm，相 当于几个原子(分子)液层厚度。
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。
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相 同的数量级。
表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态金属则几乎总是非晶体 。
液态金属在结构上更象固态而不 是汽态，原子之间仍然具有很高的 结合能。
2 X射线衍射分析
图1-1是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布 曲线。
横坐标r为观测点至某一任意选定的原子（参考中心） 的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心 的一系列球体的半径。
纵坐标 4r 2 (r) 表示当半径增减一个单位长度时，球 体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密 度函数。
当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列进入无序 状态。
表明，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。
液态金属的结构特征
液态金属内存在近程有序的原子集团（图1-2）。这种原子集 团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属 结构具有如下特点：
◆液态金属是由游动的原子团构成。 ◆液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能
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。
◆由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚
时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同 原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动 瞬息万变，这种现象称为成分起伏。
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。
液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导 热和流动性。
►►液相结构？
1. 物理性质变化
体积只膨胀3～5％， 即原子间距平均只增大 1～1.5％
熔化潜热只占气化潜热的3～7 ％ 见表1
粘度的导数叫流体的流动性。
粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。
牛顿液体粘滞定律
F(x)=dv/dy 与面积无关 F(x)=ηAdv/dy η —动力粘度系数
（m2/N.S） μ= η/ρ 运动粘度系数(m2/s)
影响粘度的因素
• 温度 • 化学成分 • 非金属夹杂物
粘度对材料成型的影响
材料成型原理
第1章 液态金属
1.1 液态金属基本理论
1.1.1 液态金属的性质
液态金属的结构
金属和合金材料的加工制备过程？
配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。
配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；
熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；
凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金 属材料的微观组织特征。
图1-2 液态金属结构示意图
1.1.2 粘度理论
液态金属是有粘性的流体。 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方
向运动。 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运
动时，会产生摩擦阻力。 当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，
在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘 度。 粘度的单位是Pa·s。
►►液相成型
固态金属
按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列 的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
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？
由相关热力学公式可得：
W dF
dA dA
此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系 统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。
图1-1 700℃液 态铝中原子密
度分布线
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线与固态时的 分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接 近，其配位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。
金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就是原子 由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，
从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态 或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态） 的转变均属于结晶过程。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次
• 表面张力：
使液体趋于球状的力
•表面张力引起的附加压力
p=2σ/r
——球状
p=(1/r1+1/r2) σ ——任意形状
由此可见，表面张力是表面S内垂直F方向 的单位长度上的拉紧力；
也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功， 称之为表面能。
表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同， 如表面张力为10-1N/m，则子 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一定 距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r 和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。
但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪 形的连续曲线。
这是由于当金属转变为液态时，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。
• 影响液态金属的流态 •影响液态金属的对流 •影响液态金属的净化
1.1.3 表面和界面张力
表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。
A、表面张力和表面能 表面张力：在液体表面内产生的平行于液 体表面、且各向均等的张力，称之为表面张力。
表面张力是气/液界面现象，它的的大小与 液相和气相的性质有关。
产生张力的表面层厚度不超过10-7cm，相 当于几个原子(分子)液层厚度。
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。
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相 同的数量级。
表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态金属则几乎总是非晶体 。
液态金属在结构上更象固态而不 是汽态，原子之间仍然具有很高的 结合能。
2 X射线衍射分析
图1-1是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布 曲线。
横坐标r为观测点至某一任意选定的原子（参考中心） 的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心 的一系列球体的半径。
纵坐标 4r 2 (r) 表示当半径增减一个单位长度时，球 体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密 度函数。
当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列进入无序 状态。
表明，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。
液态金属的结构特征
液态金属内存在近程有序的原子集团（图1-2）。这种原子集 团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属 结构具有如下特点：
◆液态金属是由游动的原子团构成。 ◆液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能
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。
◆由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚
时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同 原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动 瞬息万变，这种现象称为成分起伏。
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。
液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导 热和流动性。
►►液相结构？
1. 物理性质变化
体积只膨胀3～5％， 即原子间距平均只增大 1～1.5％
熔化潜热只占气化潜热的3～7 ％ 见表1
粘度的导数叫流体的流动性。
粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。
牛顿液体粘滞定律
F(x)=dv/dy 与面积无关 F(x)=ηAdv/dy η —动力粘度系数
（m2/N.S） μ= η/ρ 运动粘度系数(m2/s)
影响粘度的因素
• 温度 • 化学成分 • 非金属夹杂物
粘度对材料成型的影响
材料成型原理
第1章 液态金属
1.1 液态金属基本理论
1.1.1 液态金属的性质
液态金属的结构
金属和合金材料的加工制备过程？
配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。
配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；
熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；
凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金 属材料的微观组织特征。