金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质

E W S
即
E S
(不考虑摩擦力）
2
J / m
于是得到表面张力的另一个意义是：表面张力可
以看作是液膜上单位面积的能量。
（3）表面张力与润湿角
润湿θ角是衡量界面张力的标志
界面张力达到平衡时，存在下列关系：
SG LS LG cos SG LS cos LG
·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 ·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。
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。
·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。
· 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：
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
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
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、 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。
的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。
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（流体力学的斯托克斯公式）。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响:
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
面活性物质等。
§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
– 气体: 完全无序为特征
—— 分子不停地作无规律运动
（2）温度 大多数金属和合金，如Al、Mg、Zn等， 其表面张力随着温度的升高而降低。因温度 升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但 对于铸铁、铜及其合金则相反，即温度升高 表面张力反而增加，其原因尚不清楚。
（3）溶质元素
溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类： 一类是使 表面张力降低的溶质元素，即d 0 ， dC （C—为溶质浓度），这类溶质对该金属而言，称为液态 金属的表面活性元素，而且具有正吸附作用，即溶质表 面的浓度大于内部的浓度。 另一类是使液态金属表面张力增加的溶质， 即 d 0，对该金属而言，称为液态金属的表面非活
若溶质与溶剂在液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，因 为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。 表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素 Na）使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使 粘度提高。
•
• f 为流动阻力系数：
dvx F ( x) / s dy 根据流体力学：当雷诺数Re＞2300时为紊流，Re＜2300时为层流 圆形管道： D D D-水力学半径 η Re υ-液体的临界速度 v ρ
温度T而下降（见下图）；
a） 液态 Ni 图2-4
b） 液态 Co 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：
1 2 H m ( X 11 X 2 2 ) RT
1 ——纯溶剂的粘度； 2——溶质的粘度；
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
粘度对层流的影响就会
直接影响到铸件的质量。
二、液态金属的表面张力
1.表面张力的实质 2.影响表面张力的因素 3.表面张力在材料成形生产技术中的意义
1.表面张力的实质
（1）表面张力及其产生的原因
液体或固体同空气或真空接触的面叫 表面。表面具有特殊性质，由此产生的现 象——表面现象。 如荷叶上的水珠呈球状，雨水总是以滴 状的形式从天空落下。
几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固
之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角 就很小。 通过测定润湿角可比较不同液态金属表面 张力的大小。
2.影响表面张力的因素
（1）熔点 （2）温度 （3）溶质元素
（1）熔点 界面张力的实质是质点间的作用力， 故原子间的结合力大的物质，其熔点、 沸点高，则表面张力往往就大。材料成 形过程中常用的几种金属的表面张力与 熔点的关系如下表所示:
•
•
表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大
小相等的张力。
表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。 由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝 着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的 势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表
面积而产生表面张力。
（2）表面张力的意义 取一小块表面薄膜（见右图），
（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 ) ：
d x F ( x) s dy d x 式中： — 两液层间的 dy
z
2
1
x
相对移动速度 —与液体性质有关 的系数 s —两液层间的接触
·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
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。
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。
用下，流速和流量越小，可能造成充不满铸型。
(2)粘度对成形件质量的影响
• 影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧； • 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： • 影响铸件轮廓的清晰程度； • 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；
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
a.温度的影响
由富林克尔粘度表达式：
2k BT U 0 exp k BT
3
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：
式中，σSG为固—气界面张力； σLS为液—固界 面张力； σLG为液—气界面张力 θ<90°，此时液体能够润湿固体；θ =0°称绝对 润湿；θ>90°，此时液体不能润湿固体；θ =180°称 绝对不润湿。润湿角是可以测定的。
例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于 两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，
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
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，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。
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；