液态金属的结构与性质

• 平均原子间距 r1：
对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰 的位置
r = r1 表示参考原子至其周围第一配位层各 原子的平均原子间距
• 径向分布函数 — RDF ：
(radical distribution function） RDF = 4πr 2ρo g(r)
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。
求法：RDF第一峰之下的积分面积；
意义：N1 与 r1 均描绘了液体的原子排布情况
二、 由物质熔化过程认识液体结构
表 表 1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS 明
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
液
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
润湿θ角是衡量界面张力的标志
SG LS LG cos cos SG LS
3. 黏度在材料成形中的作用和意义:
①黏度对液态金属充型速度的影响
流体的流动状态由雷诺数Re来决定， 当Re>2320时，流体以紊流方式流动。
②黏度对流动阻力的影响
紊流的流动阻力要比层流阻力小，有利于充型 实际应用：
一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊 流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速 下降，才出现层流。
• 偶分布函数 g(r)
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（处于坐标原点r = 0）距离为 r 位置的原子数密度 ρ(r) 对于平均数密 度ρo（=N/V）的相对偏差
ρ(r) = ρo g (r)
• 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
气体 液体 晶体
空穴模型： 金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大 量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有 序性。大量空位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
位错模型： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破 坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不 含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。
§1.2 液态金属的性质
概述
当液态金属在外力作用下流动时，由于分子间存 在内聚力，因此使液体内部产生内摩擦力，以阻 碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为粘滞 性，用黏度表征 液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流 动性等有重要影响，因此黏度关系到铸件的成形质量
一、液态金属的粘度
1. 定义 粘度系数
④对液态金属净化的影响
※斯托克斯公式： Ｖ＝２g(ρ液-ρ杂)r２/9η
仅当ρ杂≤ρ液，夹杂才能上浮，η越大，夹杂 及气泡越难以排除
粘度对成形质量的影响
• 影响铸件轮廓的清晰程度； • 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； • 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： • 对焊缝的质量的影响。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响
• Stokes 公式的应用
由上式可见,液体的粘度愈大,杂质半径愈小,液体与杂质的密 度差愈小,杂质沉浮速度愈慢,留在铸件中的可能行就大 防止措施：适当提高金属液的过热度，以降低粘度，加快 夹杂物和气泡的上浮速度
二、液态合金的表面张力
在铸造合金熔化、浇注、凝固与成形过程中 ，存在许多界面问题，如精炼剂、孕育剂和变质 剂与合金熔体之间，合金固体与液体之间等。
四、 液态金属的结构特征
“能量起伏” —原子间能量不均匀性 • “结构起伏”—液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 • “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 。
Gb W
S
S
表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现 象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理 概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。
3、表面与界面
界面——任意两相的交界面 表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交
界面，而前者特指液体（或固体）与气体之 间的交界面，但更严格说，应该是指液体或 固体与其蒸汽的界面。表面能和表面张力是 界面能和界面张力的特例
气体、液体、固体的结构特点
气态结构
液态结构
固态结构
液固体态：结构长：程平无移序、( 不对具称备性平移特、征对（称长性程) 有序）
气态结构近：程完有全序无( “序游为荡特”着征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)
一、气体、液体、固体的衍射特征
液态金属的衍射结构参数
• 偶分布函数 g(r) • 平均原子间距 r1 • 径向分布函数 • 配位数 N1
稍高于熔点时液态碱金属（Li、 Na、 K、Rb、 Cs）的径向分布函数 ( RDF )
RDF= 4πr2ρog(r), atoms /Å
RDF 第一峰之下的积分 面积即所谓配位数 N1
（
r, Å
配位数N1：参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数
rm
N1
4 g(r)r2dr 0
r0
界面能和界面张力的表达式
AB A B WAB
A , B —A、B两物体的表面张力
WAB
—两个单位面积界面系向外做的功或者将两个界面结 合（拆开）外界所做的功
当两相间的作用力大时， WAB 越大，则界面张力越小
4 、表面张力与润湿角
润湿θ角：液相与固相的接触点处液固界面和液态表面切线 的夹角
表面——液体或固体同气体间的界面
1 表面张力的实质及产生的原因
• 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。
③对液态金属对流的影响
※产生对流的条件：温差和浓度差→浮力→黏滞力 ※对流强度：格拉晓夫数
ＧrＴ＝ｇβＴL３△Ｔ／η２
动力黏度越 大，则对流
强度越小
Ｇrｃ＝ｇβｃL３ △C／η２
βＴ、βｃ分别为由温差和浓度差引起 的金属液体积膨胀, L水平方向上热端 到冷端距离的一半宽度。
液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析和杂质的 聚合沉浮有重要影响。
R为气体常数，Hm 为两组元的混合热。
合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响


( X11

X 22 )1

2
Hm RT

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，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）
若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，因为合金液中存在异类原子间 较强的化学结合键
complex
303
-2.9
18.5
于
N2
-
63.1
7.5
2.7
固
Ar
-
83.78
14.4
3.36
体
CH4
-
90.67
8.7
2.47
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
Element
(Hb /
Tm (0C)
Hm (kcal/mol)
Tb (0C)
Hb (kcal/mol)
表明熔化时只有部分原子键被破坏
三、 液态金属结构的理论模型（自学部分）
（一） 无规密堆硬球模型 （二） 液态金属结构的晶体缺陷模型 （三） 液体结构及粒子间相互作用的理论描述
（一）无规密堆结构中五种多面体间隙
四面体
八面体 四方十二面体
三角棱柱多面体
阿基米德反棱柱多面体
（二）、液体的缺陷模型
• 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
dVX
dy
2. 物理意义： 反映液体内摩擦的大小
Z
o
τ
X
δ
V1
V2
V3
V4
V5
......
外力作用于液体表面各原子层速度 Y
• 运动粘度为动力粘度除以密度，即：
/
• 运动粘度ν—— 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。
• 动力粘度η—— 在外力作用非常小的情况下适用， 如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力
图1－9 液体的粘度与温度的关系 a）液态镍 b）液态钴
合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响
M-H（Moelwyn-Hughes）模型：


( X11

X 22 )1

2
Hm RT

η1——纯溶剂的粘度；η2——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，
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， 粘度影响铸件轮廓的清晰程度
消除方法：应适当提高过热度或者加入表面活 性物质，降低液体的粘度
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 对流动的影响就会直接影 响到铸件的质量。
Al
660
2.50 2480 69.6
Au 1063 3.06 2950 81.8
Cu 1083 3.11 2575 72.8
Fe 1536 3.63 3070 81.3
Zn
420
1.73
907
27.5
Cd
321
1.53
765
23.8
Mg 650
2.08 1103 32.0
Hb / Hm
27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
2.6
7.03
体
Sc
bcc
302
2.6
6.95
原
Fe
bcc/fcc
1809
3.6
7.61
子
Al
fcc
931
6.9
11.6
间
Ag
fcc
1234
3.51
9.16
Cu
fcc
1356
3.96
9.71
距
Mg
hcp
924
2.95
9.71
接
Zn
hcp
692
4.08
10.7
近
Sn
complex
505
2.4
13.8
Ga
张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在 微小体积系统会显示很大的作用
2、表面自由能与表面张力的关系
表面自由能（表面能）：系统为产生新的单位面 积表面时的自由能增量。 设恒温恒压下，表面自由能增量 Gb ，表面自由 能为 ,使表面△ห้องสมุดไป่ตู้面积时，外界对系统做功为
W S
W S Gb
粘度系数η有关。
2.粘度的影响因素
粘度数学模型


2kT
3
0
exp
U kBT

粘度η随原子间结合能U按指数关系增加
液K体b的—原—子B之o间lz结ma合n力n常越大数，；则内摩擦阻力越大， 粘U度也—就—越无高外； 力作用时原子之间的结合能 τ粘0 度—随—原液原子态子间金在距属平δ约衡增为大位1而置0-降的13秒低振）（动成周反期比（）对 实δ际—金属—液液的体原各子间原距子δ层也非之定间值的，间温距度升高，
表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度 提高
非金属夹杂物对合金液粘度的影响
非金属夹杂物的数量、状态和分布情况在不同 程度上影响合金液的粘度。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。主要是因为 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。但是，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。
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中 的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池 中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固 前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性
粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒 细化效果；减轻区域偏析
原子热振动加剧，原子间距增大，η 随之下降；
黏度 本质： 原子 间结 合力


2kT
3

0
exp
U kBT

η与温度T的关系受两方面，总的趋势随温度
T而下降（见图1-9）
合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响
非金属夹杂物的数量、状态和分布情况对合金液 粘度的影响
温度对粘度的影响
第一章 液态金属的结构与性质
§1.1 液态金属的结构 §1.2 液态合金的性质 §1.3 液态金属的充型能力
§1.1 液态金属的结构
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 四 、 实际金属的液态结构
一、气体、液体、固体的衍射特征