液态金属的结构与性质
合集下载
液态金属的结构和性质
第一章 液态金属的结构和性质
1.液态成形：是液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求的毛坯或零件的工艺技术。
2.晶界粘滞流动：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动。(金属的熔化变为同温度的液态金属时，金属要吸收大量的热量(金属由固态变为液态，体积膨胀约为3~5%)。
8.粘度在材料成形过程中的影响。
A．对液态金属净化的影响-粘度↑杂质和气泡上升的速度↓
B．对液态合金流动阻力的影响-粘度↑流动阻力↑
C．对液态过程中液态合金对流的影响-粘度↑对流强度↓
9.表面张力：液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力。
10.影响表面张力的因素：
A．熔点。熔点↑原子间结合力↑表面张力↑
B．温度。温度↑表面张力↓（但对铁碳合金、铜合金，温度↑表面张力↑）
C．溶质原子 表面活性元素，使表面张力↓非表面活性元素，使表面张力↑
11.充型能力mold-filling capacity：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力(充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果)
12.液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力。
4.在熔点和过热度不大时，液态金属的结构是接近固态金属而远离气态金属的。
5.液态金属：是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡所组成的“混浊”液体。
6.粘度（粘滞性）：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动的性质。
7.粘滞性的本质：原子间结合力的大小。
1.液态成形：是液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求的毛坯或零件的工艺技术。
2.晶界粘滞流动：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动。(金属的熔化变为同温度的液态金属时，金属要吸收大量的热量(金属由固态变为液态，体积膨胀约为3~5%)。
8.粘度在材料成形过程中的影响。
A．对液态金属净化的影响-粘度↑杂质和气泡上升的速度↓
B．对液态合金流动阻力的影响-粘度↑流动阻力↑
C．对液态过程中液态合金对流的影响-粘度↑对流强度↓
9.表面张力：液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力。
10.影响表面张力的因素：
A．熔点。熔点↑原子间结合力↑表面张力↑
B．温度。温度↑表面张力↓（但对铁碳合金、铜合金，温度↑表面张力↑）
C．溶质原子 表面活性元素，使表面张力↓非表面活性元素，使表面张力↑
11.充型能力mold-filling capacity：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力(充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果)
12.液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力。
4.在熔点和过热度不大时，液态金属的结构是接近固态金属而远离气态金属的。
5.液态金属：是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡所组成的“混浊”液体。
6.粘度（粘滞性）：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动的性质。
7.粘滞性的本质：原子间结合力的大小。
第二章 液态金属的结构与特性
2013-7-16
返回目录
13
粘度
粘度在液态成型中的作用？
对充型过程的影响
T↗，η ↓，充型性能↗。 T↗，收缩量↗ ，缩孔、缩松、变形、裂纹↗ 。 T↗，粘砂可能性↗ 。 对夹杂物和气体的影响
T↗，η ↓，夹杂物和气体易上浮去除。
T↗，金属液吸气↗，氧化夹杂物量增加↗
液态金属的结构
液态金属结构特点： 液态金属是由游动的原子团构成。
液态金属原子热运动激烈，各原子具有的能量各 不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀 性，称为能量起伏。
液态原子处于能量起伏之中，原子团时聚时散， 时大时小，此起彼伏，称为结构起伏。
2013-7-16
8
液态金属的结构
对于多元素液态金属，一种元素在不同原子团 中的分布量随着原子的热运动瞬息万变，这种 现象称为成分起伏。 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转变为长程有序状态的 过程。
净化器或过滤器吸附原理：
在液态或固体中加入某些物质的原子或分子，使 其表面能增加，提高表面活性，吸附希望被过滤 的物质。
2013-7-16
25
2013-7-16
22
表面张力的应用
②润湿角：
B A
α
润湿角α越小，A-B两种物质的润湿性 越差。2013-7-16 Nhomakorabea23
表面张力的应用
③液态金属充填铸型
润湿性越好，金属越容易充填到各部位。
2013-7-16 24
表面张力的应用
④表面吸附
表面原子或分子受力的不平衡性，促使其吸附其 他物质原子或分子，使表面能降低。
2013-7-16
第一章液态金属的结构和性质
Ws Wα −α + Wβ − β = − Wα − β = σ α − β 2 2
由于Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ，代入上式，则：
σ α − β = σ α + σ β − Wα − β
由此可见，形成α-β界面所作的功Wα-β越大， 则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力越 大，则界面能越小。
f 层＝ 32 32η = Re Dνρ
0.092
f 紊＝
0.092 Re
0.2
＝
(Dvρ)
0.2
η0.2
f为流体流动时的阻力系数
所以，层流时阻力大。在金属浇铸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补缩流和细壁铸件中， 则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
2）粘度在材料成形中的意义 ③对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度越大对流强度越小
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。
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
液态金属的结构与性质
液态金属的结构与性质液态金属是一种特殊的物质，其结构与性质具有独特的特点。
本文将对液态金属的结构与性质进行详细介绍。
首先，液态金属的结构与固态金属有一些相似之处，但也有一些不同之处。
固态金属由由排列紧密的原子晶格构成，而液态金属的原子结构则更加随意和无规则。
液态金属中的原子没有固定的位置，它们以无序方式排列，形成一个非晶态结构，没有明确的晶体面，没有长程有序。
液态金属的性质也有一些独特之处。
首先是液态金属的流动性。
由于其无规则的原子结构，液态金属的原子之间没有明确的位置限制，因此可以自由流动。
这使得液态金属可以被容器中的任何形状所包裹，也使得液态金属可以通过一些制作工艺来制成各种形状的物体。
其次，液态金属具有较高的密度。
液态金属由金属原子组成，金属原子通常比较重。
由于原子之间没有明确的位置限制，因此液态金属可以更紧密地排列，使得其密度相对较高。
液态金属还具有良好的导电性和导热性。
金属中的电子随着原子之间的距离较远，形成自由电子，这些自由电子可以在金属中自由移动，从而实现电流的传导。
液态金属中的自由电子同样可以在液态金属中自由移动，因此液态金属具有良好的导电性。
与此类似，液态金属中的原子之间的距离较近，原子之间的振动更为频繁，从而使得热量在液态金属中得以快速传播，使其具有良好的导热性。
此外，液态金属还具有较高的表面张力。
液态金属原子之间的相互作用力较强，特别是在液体表面，原子受到周围原子的吸引力较大，形成一个表面膜。
由于这个表面膜的存在，液态金属的表面张力较高，使得液态金属在任何其他物体表面上都能形成一个相对稳定的液体球形，这也是为什么液态金属滴在表面上会呈现出球形的原因。
液态金属还具有一些特殊的性质和应用。
首先是其较低的熔点。
与晶体金属相比，液态金属由于无序结构的特殊性质，使得其熔点相对较低。
这使得液态金属在一些特殊工艺中得以应用，例如3D打印中的金属打印。
另外，液态金属还具有极好的流动性和可塑性。
液态金属的结构
6
Structure and Properties
of Liquid Metals
二
在
在固态
第一章液态金属的结构与性质研究方法
液态金属电阻加大，因原子热振动振幅增大，结构无序性加大；
气、液、固相比较，液态金属结构更接近
衍射图
17液态金属的结构与性质图1-1 700℃液态铝中原子
密
度分布线固态金属：原子在
某一平衡位置热振
动，因此衍射结果
得到的原子密度分
布曲线是一组相距
第一章液态金属的结构与性质20
液态金属的结构与性质其第一峰值与固态时的衍射线（位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固
时的峰值偏离增大，而且随
r 的增大，峰值与固态时的偏
也越来越大。
当它
定邻
近。
液态金属的结构与性质
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。
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
• 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。
• 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
第1章液态金属的结构和性质
什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。
1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低
二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于 原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化， 热运动增强。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。
液态金属的结构与性质
2
液态金属的安全操作
为了确保安全，操作液态金属时应遵守相关规范和安全措施。
VIII. 结论：液态金属的发展前景
液态金属作为一种新兴材料，具有广阔的发展前景。我们期待液态金属在科学技术和工业领域和外界条件对液态金属的结构会产生影响和变化。
IV. 液态金属的性质
A. 导电性
液态金属具有优异的 导电性能，可广泛应 用于电子和通信行业。
B. 导热性
液态金属具有出色的 导热性能，可用于增 强散热和热传导。
C. 物理性质
液态金属具有特殊的 物理性质，如表面张 力和低温熔化性。
4 生物医学
液态金属在生物医学领域有广泛应用，如人 工器官和医疗设备。
VI. 液态金属的研究现状
实验方法与技术
研究者利用高温实验和精密仪器来探索液态金属的 特性。
未来研究方向
研究者正在寻找更多液态金属的应用领域，并改进 其性能和稳定性。
VII. 液态金属的风险与安全性
1
液态金属对人体的危害
在使用液态金属时，需要注意其对人体健康和环境的潜在危害。
D. 化学反应
液态金属在与其他物 质接触时会发生化学 反应，产生不同的物 理和化学性质。
V. 液态金属的应用
1 计算机工业
液态金属用于制造高效散热器和导热模块， 提升计算机性能。
2 新能源领域
液态金属作为流体载热介质，用于太阳能和 核能等新能源技术。
3 空间探索
液态金属可用于制造航天器和火箭发动机， 应对极端环境和高温条件。
良好延展性
液态金属具有良好的延展性，能够形成复杂的 形状和结构。
低粘度
与普通金属相比，液态金属具有较低的粘度， 便于流动和加工。
优异导电性
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Hb / Hm
27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
表明熔化时只有部分原子键被破坏
精品课件
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（一）无规密堆结构中五种多面体间隙
近
Sn
complex
505
2.4
13.8
Ga
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
精品课件
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)
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
精品课件
（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
精品课件
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
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、( 不对具称备性平特移征、对（称长性程) 有序）
气态结构 ：近完程全有序无(序“为游特荡”征着的局域有序的原子集团
，
液体结构表现精品出课件局域范围的有序性)
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
精品课件
一、液态金属的粘度
1. 定义 粘度系数
dV X
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
精品课件
• 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。
rm
N1
4g(r)r2dr 0
r0
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
精品课件
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)
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。
精品课件
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 。
精品课件
§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
Tb (0C)
Hb (kcal/mol)
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
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少 。
稍高于熔点时液态碱金属（Li、 Na、 K、Rb、 Cs）的径向分布函数 ( RDF )
精品课件
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
精品课件
配位数N1：参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数
• 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
粘度系数η有关。
精品课件
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K体b的—原—子之Bo间l结zm合a力n越n大常，数则；内摩擦阻力越大，
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
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
Ag
fcc
1234
3.51
9.16
间
Cu
fcc
1356
3.96
9.71
距
Mg
hcp
924
2.95
9.71
接
Zn
hcp
692
4.08
10.7
精品课件
• 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
精品课件
气体 液体 晶体
精品课件
• 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
精品课件
• 径向分布函数 — RDF ：
(radical distribution function） RDF = 4πr 2ρo g(r)
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
精品课件
§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
精品课件
一、气体、液体、固体的衍射特征