第2章 液态金属的结构与性质

热力学性质：蒸汽压、热膨胀与凝固收缩等。
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金属液体粘度较大， 而水的粘度非常小。
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4、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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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。
横坐标为观测点至某 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。 纵坐标表示当半径增 加 dr 长度时，球壳内原 子个数的变化值，其中 （r）称为密度函数。
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，金属液和熔渣的动力学粘度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。
Re
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D


D

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（1）对液态金属净化的影响
夹杂和气泡上浮的动力
F Vg 1 2
即二者重度之差
在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动 根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Fc为：
Fc 6 rv
3
r为球形杂质半径，v为运动速度
之间存在内摩擦力。
dVx F ( x) A dy
dVx / dy
物理意义：当速度梯度为1时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力; 作用于液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度 的比例系数。
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富林克尔动力学粘度表达式：

2k BT
3
U t0 exp k BT
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（3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。 A 、 B 结合力较强 —— 形成新的化学键 —— 临时不稳定化合物；（低温化合，高温分解） A 、 B 结合力非常强 —— 形成强而稳定的化 合物——新相； B-B 、 B-A 结合力小于 A-A ，则 A-A 原子聚 集 ——B 被排斥在集团外或液体表面 —— 降低 表面张力——表面活性元素。
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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则产生对流，其对流强 度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即 ※产生对流的条件：温差和浓度差→浮力>粘滞力 ※对流强度--格拉晓夫准则数：
6 rv 杂质匀速运动时，Fc＝F，故
Vg 1 2
2
4 r g ( 1 2 ) 2 gr ( 1 2 ) v 3 6 r 9
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
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（2）对液态合金流动阻力的影响
设 f 为流体流动时的阻力系数，则有
二、理想纯金属的液态结构特点



1、原子间保持较强的结合能； 2、原子排列小距离内（仅在原子集团内——几十到几 百个原子的集团）有规律——近程有序； 3、原子集团处于瞬息万变状态——能量起伏； 4、原子集团之间存在“空穴”，共有电子运动发生变 化；（电子难飞跃“空穴”，电阻率升高） 5、原子集团尺寸、速度与温度有关。（温度升——尺 寸降、速度大）
第二章 液态金属的结构与性质
材料成型与控制专业
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2.1 材料的固液转变
1、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）
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2、 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）；
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体积膨胀约3% — 5% ，电阻、粘度发生变化
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2.2 液态金属的结构
一、液态结构与固态结构间的异同 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。从液态金属的热物理性质看，液态 结构更像固态结构。
一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化
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2.3 液态金属的性质
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
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一、粘度
1、粘度的实质及影响因素
当外力F（X）作用于液态表面 时，其速度分布如图所示。层与层
粘度的本质：原子间的结合力。
2kBT
U t0 exp kBT
液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高。
c.温度T.
受两方面（正比的线性关系 和负的指数关系）共同制约。
虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
总的趋势：
随温度T的升高而下降。
d.合金元素和夹杂物
液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴

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）。
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3、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、 表面张力等；
2、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
/
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。 雷诺数：根据流体力学，当雷诺数Re＞2300 时为紊流； Re ＜ 2300 时为层流。对于圆形管道
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5、相变
气体
凝
华
结
蒸
升
华
发
凝
固体
熔化 凝固
液体
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。 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。
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H2O 的压力－温度相图
金属的凝固： 凝固：金属由液态转变为固态的过程。（宏观） 结晶：从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶 体状态的过程。 （微观）
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金属从固态熔化为液态时的状态变化
固态原子在平衡位置振动 加热 振动频率加快，振幅增大 超过原子激活能 达到新的平衡位置，晶格常数变化 加热 原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴 离位原子达到某一数值 原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸 加热 温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子 金属由固态转变为液态
kB —— Bolzmann常数； U —— 为无外力作用时原子之间的结合能； t0 —— 为原子在平衡位置的振动周期（对液 态金属约为10-13秒）； δ ——相邻原子平衡位置的平均距离。
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可以看出，影响粘度的因素有：
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。 3 b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。
3 2
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对于实际液体的原子分布曲线， 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。 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。 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。
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（1）金属的汽化潜热远大于熔化潜热，以铝为例： 汽化潜热/熔化潜热=27.8。 气态金属——原子间结合键几乎全部破坏。 液态金属——原子间结合键仅部分被破坏。 所以，液态金属结构类似于固态金属。 （2）由固态变液态，熵的增值相对于熔点前的熵值并不 算大。（熵代表系统结构紊乱性变化）。 即：在熔点附近：液固结构相差不大。
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。
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e.化学成分 粘度本质 原子间的结合力 （与熔点有共性） 状态图 难熔化合物的粘度较高（熔点 高，结合力强），而熔点低的 共晶成分合金其粘度较低。
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2、杂质的来源 （1）常用金属为多元合金； （2）原材料存在多种杂质； （ 3 ）熔化时，被污染（金属与炉气、熔剂、 炉衬反应、吸气，带进杂质）。
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3、实际金属液态结构 ——非常复杂。
（1）也存在游动原子团、空穴及能量起伏； （ 2 ）原子团、空穴中有各种合金元素及杂质 元素； （3）存在浓度起伏； （4）存在不稳定或稳定化合物（固、气、 液）。
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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 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。
可见粘度η 越大对流强度越小。液体对流对结晶组 织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。
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（4）粘度对成形质量的影响
a. 影响铸件轮廓的清晰程度
在薄壁铸件的铸造过程中， 流动管道直径较小，雷诺数 值小，流动性质属于层流。
此时，为降低液体的粘度应
适当提高过热度或者加入表
64 f层 Re 68 f紊 0.11 D Re
0.25
当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。 金属液体的流动成形，以紊流方式流动最好，由于流动阻 力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统 和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或狭窄的枝 晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。
面活性物质等。
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（4）粘度对成形质量的影响
b. 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。
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（4）粘度对成形质量的影响
c. 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，冶金化学反应均是在金
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5、其它方面 （1）熔化时，体积膨胀3%-5%左右； （2）扩散系数： 液——溶质扩散系数约10-5cm2/sec 数量级； 固——溶质扩散系数约10-8cm2/sec 数量级。 差1000倍。 （3）晶态 固——晶体、非晶体 液——非晶体

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不同温度下液态金属结构示意图
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三、实际金属的液态结构特点




1、存在大量杂质原子 （1）杂质是多种多样的，非一种； （2）杂质分布不均匀； 浓度起伏：游动原子集团之间存在成 分不均匀性； 结合力不同：结合力强的易聚； 能量起伏：各微观区域的能量不同， 有的微区能量高，有的微区能量低。