金属凝固原理第2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
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
表面张力等； • 热力学性质：蒸汽压、热膨胀与凝固收缩及其它
金属液体粘度较大， 而水几乎没有粘度。
§2-2 液态金属的结构
一、液体与固体、气体结构比较 二、目前研究液态金属结构的方法 三、实际金属的液态结构
一、液体与固体、气体结构比较
– 晶体:平移、对称性特征（长程有序）
—— 原子以一定方式周期排列在三维空间的晶 格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上 作热振动
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：
·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
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。
– 气体: 完全无序为特征
—— 分子不停地作无规律运动
– 液体： 长程无序
—— 不具备平移、对称性；
近程有序
—— 相对于完全无序的气体，液体中存在着许
多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，
液体结构表现出局域范围的有序性
二、目前研究液态金属结构的方法
1.间接研究方法：研究金属熔化、汽化时的 物理现象间接研究液态结构。
a） 液态 Ni
b） 液态 Co
图2-4 液体的粘度与温度的关系
（图中各曲线分别为不同研究者的研究结果）
b.合金组元（成分）的影响：
M-H（Moelwyn-Hughes）模型：
( X11
X
22
)1
2
Hm RT
1 ——纯溶剂的粘度；2——溶质的粘度；
X1、X2 分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数， R为气体常数，Hm 为两组元的混合热。
F (x) s d x
dy
d
式中：
x
—
两液层间的
dy 相对移动速度
z
x
1 2 3
—与液体性质有关
4
的系数
5
Fra Baidu bibliotek
s —两液层间的接触
y
面积
图2-3 力作用于液面各层的速度
F (x) / s d x （Pa·s或MPa·s）
dy
由上式得： 称为动力粘度系数，简称动力粘度。
如果在外力作用下的水力学流动，则液体密 度ρ对流动的影响可忽略 ，则得到运动粘度：
（m2/s）
（2）影响粘度的因素
a.温度的影响
由富林克尔粘度表达式：
2k
BT
3
0
exp U kBT
K B —— Boltzmann常数；
U —— 为无外力作用时原子之间的结合能
τ0 —— 为原子在平衡位置的振动周期（对液态 金属约为10-13秒）
δ —— 液体各原子层之间的间距
由上式看出：
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
粘度 随原子间结合能U按指数关系增加，这
可以理解为，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；
粘度随原子间距δ增大而降低（成反比）。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，原子间距增大， 随 之下降；
与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和
负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随 温度T而下降（见下图）；
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 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）。
三、液体的基本性质
• 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、
·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。
·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。
·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。
·体积变化
金属熔化后，体积一般膨胀4-7%（见表2-1）， 原子间距增大1.0～1.5%，而汽化后，体积膨胀 为无限大，说明液态金属在低温时接近固态。
·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。
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 （2）影响粘度的因素
（1）粘度的定义及意义
粘度——液体在层流运动状态下，各液层间存在阻碍液 体流动的内摩擦阻力， 该内摩擦阻力称为粘度。
由牛顿液体粘滞定律，得两液层间的摩擦力F (x) ：
1200 ℃
1550 ℃
1400 ℃ 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
有序原子团簇存在着结构上的差异。 • “浓度起伏” ——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， 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 。
若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金 液的粘度上升（Hm为负值表明反应为放热反应） 若混合热Hm为正值，合金元素的增加会使合金 液的粘度下降（Hm为正值表明反应为吸热反应） 如：Fe-C合金中随C含量的增加，粘度下降。 Al-Si合金中随Si含量的增加，粘度下降。它们均 在共晶成分时粘度最低。 液态合金中形成的夹杂物，均使粘度上升。如钢 中的MnS、Al2O3、SiO2等。