液态金属的结构与性质

概述
§1.2 液态金属的性质
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
液
体
Fe
bcc/fcc
1809
3.6
7.61
原
Al
fcc
931
6.9
11.6
子
间
Ag
fcc
1234
3.51
9.16
距
Cu
fcc
1356
3.96
9.71
接
近
Mg
hcp
924
2.95
9.71
于
Zn
hcp
692
4.08
10.7
固
体
Sn
complex
505
2.4
13.8
Ga
complex
303
-2.9
18.5
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1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
表
Na
bcc
370
2.6
7.03
明
Sc
bcc
302
2.6
6.95
实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，
与动力粘度系数η有关。
2.粘度的影响因素
粘度数学模型
2k3T0e
xp kU BT
粘度η随原子间结合能U按指数关系增加
液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大， 粘K度b也—就—越B高olz；mann常数；
U —— 无外力作用时原子之间的结合能 τ0 —— 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 粘度随原子间距δ增大而降低（成反比）
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
4g(r)r2dr 0
r0
求法：RDF第一峰之下的积分面积；
dV X
dy
2. 物理意义： 反映液体内摩擦的大小
Z
o
τ
X
δ
V1
V 2
V3
V4
V 5
......
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
• 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
• 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。
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
Fra Baidu bibliotek
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
液态金属的结构与性质
§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 气体、液体、固体的结构特点
气态结构
液态结构
液固体态：结长构程：无平序移(、不对具称备性平特移征、（对长称程性有) 序） 近程有序( “游荡”着的局域有序的原子集团，
2.50 3.06 3.11 3.63 1.73 1.53 2.08
Tb (0C)
2480 2950 2575 3070 907 765 1103
Hb (kcal/mol)
69.6 81.8 72.8 81.3 27.5 23.8 32.0
Hb / Hm
27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
N2
-
Ar
-
63.1
7.5
2.7
83.78
14.4
3.36
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 H( b /
Al Au Cu Fe Zn Cd Mg
Tm (0C)
660 1063 1083 1536 420 321 650
Hm (kcal/mol)
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。
气态结构 ：液完体全结无构序表为现特出征局域范围的有序性)
固态结构
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
• 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)
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。