第1章 液态金属结构与性质
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。
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
材料加工原理作业答案
作业第一章液态金属的结构与性质1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？理想纯金属液态结构能量起伏和结构起伏；实际纯金属液态结构存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶质或化合物）不同的杂质原子；金属（二元合金）液态结构存在第二组元时，表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏；实际金属（多元合金）液态结构相当复杂，存在着大量时聚时散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替；能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象。
结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。
浓度起伏指在多组元液态金属中，由于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，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象2、根据图1-8及式（1-7）说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素，并讨论粘度在材料成形中的意义动力学粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
是液体内摩擦阻力大小的表征影响粘度的因素：1）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；2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比；3）η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。
（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，原子间距随之而增大，因此η会随之下降。
）4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响，如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（H m 为负值表明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）如果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，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
1.1.2 液态金属结构
例-[铸铁]
铸铁是含铁、碳、硅、锰、硫等元素的复杂多元合金；
1.2 液态金属的性质
黏度 表面张力
1.2.1 黏度
定义
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-毛细管法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡容器法（扭摆法）
1.2.1 黏度
1.4.1 半固态铸造
1.4.1 半固态铸造
1.4.2 半固态金属的流变性
对于非牛顿流体，根据其切应力与速度梯度之间的关 系，有宾汉体（Bingham Body）、开尔文体（Kelvin Body）、麦克斯韦体（Maxwell Body）、施韦道夫体 （Schwedoff Body）等类型。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
[导入案例]
众所周知，世界上所有 的元素或化合物均以固 体、液体或气体的形式 存在，其存在方式取决 于温度和压力条件；
1.1 液态金属的结构
熔化过程
固相→液相的相变； 两种观点
（1）认为金属固→液转变是通过单个原子间的分离途径来实现 的，即有规则排列的固相晶体直接分裂成单独的原子；
测量方法 （1）座滴法
第1章—— 液态金属的结构与性质
第一节 液体概念的引入
一、液体类型（按液体结构和内部作用力分） 液体类型（按液体结构和内部作用力分）
原子液体； 原子液体； 分子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的性质和特征
最显著特性： 最显著特性：流动性 结构特征： 远程无序” 近程有序” 结构特征：“远程无序”而“近程有序”
四、液态金属结构的理论模型（自学） 液态金属结构的理论模型（自学）
无规密堆硬球模型——RCP （一）无规密堆硬球模型
以无规堆积的硬球来描述液体结构。 模型特征 以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为 面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑， 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。 各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中 存在五种间隙多面体模型 存在五种间隙多面体模型 四面体 八面体 三角棱柱多面体 四方十二面体 阿基米德反棱柱多面体 73% 20% 3% 3% 1%
虚线：计算值；实线： 虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
液体的粘度与温度的关系ａ） ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴 图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
三、实际金属的液态结构
理想纯金属液态结构 能量起伏和结构起伏
实际纯金属液态结构 存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶 存在大量多种分布不均匀、存在方式（ 质或化合物） 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金） 存在第二组元时，表现为能量起伏、 金属（二元合金）液态结构 存在第二组元时，表现为能量起伏、 结构起伏和浓度起伏 实际金属（多元合金） 相当复杂， 实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、 散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态 杂质或化合物， 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替
液态金属的结构与性质
2.4
-2.9 7.5 14.4 8.7
13.8
18.5 2.7 3.36 2.47
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
Element
Al
(Hb /
Tm (0C)
660
Hm (kcal/mol)
2.50
Tb (0C)
2480
Hb (kcal/mol)
69.6
Hb / Hm
27.8
②A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;
③假如B-B结合力>A-A及A-B：吸附甚至分层；
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 1)合金多； 2)原材料中存在多种杂质； 3)工艺上造成；
实际金属在微观上是由成分和结构不同的游 动的原子集团、空穴和许多固态、气态或液 态的化合物组成，是一种“浑浊”液体。
※对流强度：格拉晓夫数
ＧrＴ＝ｇβ
动力黏度越 大，则对流 强度越小
３△Ｔ／η L Ｔ ３ △C／η L ｃ
２
Ｇrｃ＝ｇβ
２
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。
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的黏度
“结构起伏”
“能量起伏”
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 杂质原子 量大 种类多 分布不均 存在方式不同
原子间结合力不同，产生的起伏
结构起伏
浓度起伏
能量起伏Βιβλιοθήκη “能量起伏” “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
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。
材料成型基本原理完整版
第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。
3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。
4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。
能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。
结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。
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《材料成形基本原理》（第3版）
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第一节 引言 第二节 液态金属的微观结构
第三节 液态金属的性质
它们的综合作用即为两原子 间的相互作用力F（合力）。
两个原子的相互作用势能
W(R)的曲线如图b所示
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当R→∞时， F→0。 当两原子靠近时，原子间产生吸引力
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双原子模型
(合力 F<0 )增大，到达R=R1时，F为最
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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)
图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
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《材料成形基本原理》（第3版）
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液 体 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、膨胀和压缩系数及其它。
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一、 液体的分类
按液体的构成类型，可分为：
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）
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《材料成形基本原理》（第3版）
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二、 液体的表观特征
——分子不停地作无规律运动
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液体：
长 程 无 序
—— 不具备平移、对称性；
近 程 有 序
—— 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停
“游荡”着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。
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径向分布函数
—
RDF
RDF = 4πr 2ρo g(r)
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积
N1
rm 2 4 g ( r ) r dr 0
r0
N1 与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。
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《材料成形基本原理》（第3版）
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
双原子模型
两个原子间：相互作用力F， 相互作用势能W与原子间距 离R的关系如图所示。
图a中虚线为引力与斥力，
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）。
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三、液体的结构和性质与材料成形的关系
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体生长的热力学 熔体的结构信息
凝固的微观机制
– –
液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、 粘度等性质
成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式
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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。
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1），金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增
量）为3~５%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附
近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为
1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
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第四节 液态金属的充型能力
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第一节
引言
一、液体的分类
二、液体的表观特征 三、液体的结构、性质与材料成形的关系
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T至熔点时，空穴骤然增多。 F-R曲线上，R超过R1，原 子间的引力急剧减小，从而 造成原子结合键突然破坏， 金属则从固态进入熔化状态。
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大（见表1-
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在特定的温度下，虽然“能量起伏”和 “结构起伏”的存在，但对于某一特定的液 体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。
然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变 化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。
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双原子模型
势能曲线极不对称: 向右是水平渐近线， 向左是垂直渐近线
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《材料成形基本原理》（第3版） 每个原子在三维方向都有相邻原 子，频繁相互碰撞而交换能量。每 时每刻都有一些原子能量超过(或低 于)原子平均能量 (“能量起伏” ) 高能原子则可能越过势垒跑到原 子之间的间隙中或金属表面，而失 去大量能量，在新的位置上作微小 振动。一旦有机会获得大的能量， 又可以跑到新的位置上。(内蒸发) 原子离开点阵则留下了自由点 阵——空穴(物体膨胀的另一原因 ) T越高，空穴越多
大吸引力（能量曲线拐点）。 而后，吸引力随距离而减小，当达到
R＝R0时，相互作用力等于零（F＝0），
此时R0为平衡距离。(能量最低，状态 稳定)
dW ( R) F ( R0 ) dR
0
R R0
当距离小于平衡距离R0时，出现排 斥力(F>0)，并随距离的继续缩短而 迅速增大。
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1. 液体粘度的定义
粘度系数---简称粘度(动力学粘度η)，是 根据牛顿提出的数学关系式来定义的： o d VX dy
τ —— 平行于X方向作用于液体表面 表述为：液体流动的速度梯度 dVX/dy 粘度的物理意义可视为：作用于液体表
面的应力 τ大小与垂直于该平面方向上 与剪切应力 τ成正比。 （ X-Z 面） 的外加剪切应力， 的速度梯度的比例系数。 通常条件下，所有的液态金属符合牛顿 V X——液体在X方向的运动速度， 液体粘度量纲为[M / LT]，常用单位 定律，被称为牛顿液体。 dV 表示沿 X/dy 为 Pa· S 或—— MPa· S。 Y方向的速度梯度。
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 。
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对于“纯金属” ：总存在大量杂质原子。
如：8N纯铁（分析纯只能达5N），则每
1cm3铁液中杂质原子数约相当于1015数量级。 对于合金，F(A-A、B-B)＞F(A -B)： 则A-A、 B-B原子聚集； F(A -B)＞F(A-A、B-B)：液体中形成新的化 学键 A-B原子聚集
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（四） 实际液态金属的微观特点
对于“理想液体”,存在： “能量起伏” 及“结 构起伏” 对于实际液体, 还存在浓度起伏
“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
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《材料成形基本原理》（第3版） 特定T，R=R0 ，W=W0 T升高，能量从W0升高到 W1、W2、W3、W4 ，其间 距（振幅中心位置）将由R0 增大到R1、R2、R3、R4 。 原子热振动：沿势能曲线势 能与动能间发生转换。 原子间距离将随温度的升高 而增加，即产生热膨胀，但 并不改变原子相对排列（熔 点以下）。