第一章液态金属的结构和性质

4π r 2 ρ dr
理想液体的原子平 均密度分布曲线。
径向分布函数表示 在r+dr之间的球壳 中原子数的多少 固态铝中原子分布的规 律，原子位置固定，在 平衡位置做热运动，故 球壳上原子数显示出是 某一固定的数值，呈现 一条条的直线 图1-1 700℃液态铝中原 子密度分布线
2. 热物理性质 体积只膨胀3～5％， 即原子间距平均只增 大1～1.5％ ， 熔化潜热（△Hm）只占气化潜热（ △Hb ） 的3～7 ％ 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。
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
2 g ( ρ m − ρ B )r 2 υ = ⋅ η 9
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。
对焊缝的合金过渡影响
在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素 的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法。 这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上 进行的。熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金 元素易扩散到熔渣-熔池金属界面上，向熔池金属内部 扩散。因此，熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过 渡是有利的。
2
4π r g ( ρ m − ρ B ) 2 gr ( ρ m − ρ B ) ∴v = = 3 × 6π rη 9η
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
2）粘度在材料成形中的意义 ② 对液态合金流动阻力的影响 层流？紊流？雷诺数！Re＝D vρ/η
(< 2300层流，>2300紊流)
d.合金元素和夹杂物
表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高
2）粘度在材料成形中的意义 ①对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡） 运动粘度:
η ν= ρ
动力粘度除以密度
运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流 动。如浇铸系统的计算 动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如 夹杂的上浮和凝固补缩
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： •熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。
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。
夹杂和气泡上浮的动力
F = Vg ( ρ m − ρ B )
即二者重量之差
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 = 6π rvη
r为球形杂质半径，v为运动速度
6π 杂质匀速运动时，Fc＝F，故 rvη
3
= Vg ( ρ m − ρ B )
单位：Pa·s。
•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
② 粘度的物理意义： 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
③ 粘度的影响因素 富林克尔表达式：η =
kB：Bolzmann常数； δ：相邻原子平衡位置的平均距离 U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒 t0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13 s） T：热力学温度
膨胀原因？ 原子间距增大和空穴的产生
3. 金属的熔化
粒相对滑动
继续吸热 （熔化潜热）
晶粒失去原有形状 晶粒瓦解，体积突然膨胀 晶粒瓦解，形成此起 彼伏的原子集团，游 离原子和空穴
温度不变，内能增加
约3% — 5%
1.2 液态金属的结构与分析
1. 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 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 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。
表面现象？
露珠
表面张力：液体表面内产生的平行于表面切线方 向且各向大小均等的张力。 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。
4. 实际金属的液态结构 液态金属内存在近程有序的原子集团。所以， 液态金属结构具有如下特点： l）液态金属是由游动的原子团构成。 2）能量起伏。 3）结构起伏。 4）浓度起伏（或成分起伏）。
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 的转变称为二次结晶。
实际金属的液态结构
1.3 液态金属的性质 1. 液态合金的粘度 1）液态合金的粘度及其影响因素 • 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。
① 粘度系数或粘度，表达式：
dv x τ =η dy
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。
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，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。
2 k BT
δ
3
U t0 exp( ) k BT
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。
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
b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。 粘度的本质：原子间的结合力 c.温度T. 总的趋势：随温度T的升高而下降
•由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而2τ0KT /δ3项则与温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项 eU/KT随温度增高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当 温度很高时，指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值 呈直线增加（正比）。（显然，这种情况已是接近气态了。）
第一章 液态金属的结构和性质 1.1 材料的固液转变
1、相变 气体
化 升 凝 化
蒸 结
凝
发
固体
熔化 凝固
液体
相变化过程：液体蒸发、气体凝聚、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。
金属由液态转变 为固态的过程。
F F δW = F ⋅ dx = (l ⋅ dx) = ⋅ dA = σ ⋅ dA l l
表面能：产生新 的单位面积表面 时系统自由能的 增量
进一步可得
F σ= l
σ =
δW
dA
•由此可见，表面张力σ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。 表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符号相 同，大小一样，单位也可以互换（如表面张力为 10-1N/m，则表面能为10-1J/m2 ） ，是从不同角 度描述同一表面现象。
由α和β两相形成α-β界面过程如图所示。
α-β界面形成过程示意图 设α相和β相均是截面积为1cm2，长2cm的长方体。在α相 和β相中点各作一垂直截面将其等分，分别新增2个面积为 1cm2的相表面和2个面积为1cm2的β相表面。 为此，外力所需作的正功分别为Wα-α和Wβ-β。如果用σα表 示相的表面能，σβ表示β相的表面能，
σ SG − σ LS cosθ = σ LG
即杨氏方程式，接触角θ的值与各界面张力的相 对值有关。 1）σSG>σLS时，cosθ为正值，即θ<90° 称为液体能润湿固体。θ=0°时，液体在固体 表面铺展成薄膜，称为完全润湿。 2）σSG<σLS时，cosθ为负值，即θ>90°， 液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。 θ=180°为完全不润湿。所以θ角又称为润湿角。
Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ
α-β界面形成过程示意图
•然后，把 α 和 β结合成两个具有 α-β 界面整体， 这时所需作的负功为 -2Wα-β。 •因此，为形成2个 α-β 界面所作的净功 Ws 为：
Ws = Wα −α + Wβ − β − 2Wα − β
•形成一个α-β界面所作的净功Ws，在数值上等于α-β 界面的界面能σα-β，即：
润湿角θ：衡量界面张力的标志
同时与固相和气相接触的球冠形液相的界面张力的平衡情况
当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图 (a)所示。 当液相与固相接触时，三个界面张力的平衡情况见 (b)所示。 平衡时水平分量的平衡关系为：
σ SG = σ LS + σ LG cosθ
式中 σSG — 固相/气相界面张力； σLS — 液相/固相界面张力； σLG — 液相/气象界面张力。