液态金属的结构与性质
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。
6液态金属的结构与性质讲解
-第6章 液态金属的结构与性质
中国矿业大学材料科学与工程学院
6.1 液态金属的结构
6.1.1 液态金属的实验结果及分析
金属从固态熔化为液态时的状态变化
固态原子在平衡位置振动 加热 振动频率加快，振幅增大 ? 超过原子激活能 达到新的平衡位置，晶格常数变化 加热 原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴 ? 离位原子达到某一数值 原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸 加热 温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子
?
金属由固态转变为液态 体积膨胀约3% — 5% ，电阻、粘度发生变化
6.1 液态金属的结构
2. 液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）
（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）
①金属加热时，Em增加； ②金属的熔化首先是从晶界开始； ③当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之 间更容易产生相对运动；
决定，与外界因素无关。
流动性测试方法：螺旋型试样流动长度。
充型时的两种停Biblioteka 流动方式（2）宽凝固范围的合金——结晶温度范围宽
（1）窄凝固范围的合金——纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）
(1)窄凝固范围的合金
(2)宽凝固范围的合金
6.3 液态金属的充型能力
6.3.2 充型能力的影响因素及提高措施
内因 外因
F=σ b △W=σb△l=σ△S =△F
表面张力 表面能 界面张力 界面能
6.2 液态金属的物理性质
2 影响表面张力的因素：内部质点对表面质点的吸引力
※① 化学键：
键能越大，对表面质点的吸引力也越 大，表面张力越大 表6-6
※②温度：Ｔ
，, 特殊现象Cu 、铸铁；
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研究
液态金属的结构与性质研究液态金属，通常指在室温下处于液态的金属。
液态金属是材料科学中的一个新领域，其结构和性质的研究引起了科学家们的广泛关注。
液态金属能够同时表现出金属和液体的特性，具有许多独特的物理和化学性质。
本文将讨论液态金属的结构和性质的研究进展。
液态金属的结构液态金属的结构是研究液态金属的关键。
液态金属的结构会受到许多因素的影响，如温度、压力和成分等。
液态金属的原子结构在不同的温度和压力下会发生变化，这些变化可以通过X射线衍射和中子衍射来观察和研究。
许多液态金属的结构与晶体的结构有很大的不同。
液态金属的原子之间是无序排列的，没有特定的位置关系，而晶体则是有序排列的，具有规则的结构。
液态金属的无序结构给液态金属带来了更多的自由度和相互作用，使得液态金属具有特殊的物理和化学性质。
液态金属的性质液态金属具有许多特殊的物理和化学性质，使其在许多领域得到广泛应用。
以下是一些液态金属的性质：1.高导电性和热导性液态金属的原子之间的距离相对较小，使得液态金属具有很高的导电性和热导性。
这种性质使得液态金属在电池、电弧炉、热交换器等领域得到了广泛应用。
2.高表面张力和反应性液态金属的表面张力很高，这使得液态金属的分子在接触其他材料的时候能够产生强烈的化学反应。
液态金属的这种反应性使其在制造生物医学器械、电子元件和催化剂等领域得到了广泛应用。
3.独特的机械性能液态金属的机械性能具有独特的特点。
它们的黏度和表面张力比水高，但比其他金属低。
这种性质使得液态金属在制造机器设备、汽车发动机和船舶发动机等领域有着广泛的应用。
结论液态金属的结构和性质是材料科学研究领域中的一个重要课题。
研究液态金属的结构和性质可以帮助我们更好地理解材料科学中的各种现象和过程，同时也使得我们能够开发新的材料和技术。
液态金属的特殊性质使它们在电子、航空航天、生物医学和化学工业等领域得到了广泛的应用，我们相信，在未来，液态金属的应用前景将不可限量。
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
第1章—— 液态金属的结构与性质-2012
流体力学的斯托克斯公 式
2 g r 2 m B 9
(使用条件： Re
2r 1)
可见，粘度η 较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，会影响精 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 4、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，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，而金属液和熔渣中的动力学粘度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
（3）η 与温度T 的关系：受两方面（正比的线性关系和负的指 数关系）共同制约，但总的趋势随温度T 而下降（见下图） 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
虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
以某种模式在平衡位臵作热振动（远程有序）
气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大 得多，空间分布上表现为完全无序
液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对 称性（长程无序），相对于气体，表现为短程有序
g(r)
g (r)
2 1 ao
气 气体 体
a）
r
a0-气体中粒子的平均自由程
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（见书 中表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大 于固体而远小于气体
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熔化潜热：仅为升华热的3～7％；
7
表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）
Crystal Matter Na Sc
Structure Type bcc bcc
Tm (K) 370 302
Vm / Vs (%) 2.6 2.6
Sm (J.K-1.mol-1) 7.03 6.95
由于力F的作用，薄膜被拉长Δl ，则F对薄膜所 做的功ΔW为 ΔW=FΔl =σbΔl=σΔS 做功使得薄膜能量增加ΔE，因此ΔE=ΔW=σΔS 则σ=ΔE/ΔS 故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。
38
8.液态金属的表面张力
②表面张力引起的附加压力 ※附加压力：△Ｐ＝Ｐ１－Ｐｇ
1
第一章 液态金属的结构和性质
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 成形 固体金属的加热与熔化 液态金属的结构 液态金属的性质 液态金属的充型能力 半固态合金的流变性及半固态
2
第一节 固体金属的加热与熔化
1. 固体金属的热运动 由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑 力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之 间的平衡关系，如图所示 2.金属的熔化
擦，妨碍液体的流动。此种内摩擦阻力是液态金属的物理特性之一，称为粘 度。金属的流动性就是粘度的倒数。粘度是由液态金属的结构决定的，而结 构又与温度、压力、杂质含量有关。
※牛顿流体: η=F/(Sdv/dx)
当速度梯度为1时,相邻液层 ※动力黏度物理意义: 间单位面积上的内摩擦力;
26
第三节 液态金属的性质
9
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
因此，金属的熔化并不是原子
间结合的全部破坏，液体金属 内原子的分布仍具有一定的规 律性，其结构类似于固态。而 不是类似气体，只是原子的热 运动加剧。
10
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 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. 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，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。
T高，乘数项将起主要作用，T
,η
实际液态金属过热度不高时，系数的变化是次要，
故可认为液态金属的粘度因温度升高而降低。
28
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素： ②化学成分 粘度本质 原子间的结合力（与熔点有共性） 难熔化合物的粘度较高，而熔点 低的共晶成分合金其粘度较低； 状态图
14
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
15
“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
“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 。
16
1200 ℃
1400 ℃
1550 ℃
1700 ℃
17
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 以仅含一种杂质元素为例:
①A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液
中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；
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
21
第三节 液态金属的性质
1.熔点和熔化潜热
确定熔炼和浇铸温度 纯金属在一定的温度下熔化及凝固，而大部分合 金（除共晶成分合金）则在一个熔化（或结晶）温度 区间。熔化温度区间的大小取决于合金的种类和化学 成分，同时也影响金属的流动性、铸件的结晶过程及 宏观组织，因而也影响逐渐的质量和性能。
3
图1 金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系 图2 加热时原子间距和原子势能的变化
4
第一节 固体金属的加热与熔化
金属的膨胀及熔化
能量起伏(内蒸发):空穴的产生
温度愈高，原子的 能量愈大，产生的 空穴数目愈多，金 属膨胀。
5
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）
19
第二节 液态金属的结构
3. 液态金属结构理论
1.凝聚理论：把液体看做稠密气体，用气体动力学理
论来解释液体金属结构。
2.点阵理论：在晶体点阵中引入各种缺陷来描述液体
金属结构。
3.几何理论：球体密集堆积。
20
第三节 液态金属的性质
物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩
散系数等；
29
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素：
30
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
影响粘度的因素： 随碳含量增加，溶液的粘度下 降且在亚共晶成分前熔点也随 之下降。当温度一定时，随碳 含量增加，过热度增加，粘度 下降。
31
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
黏度在材料成形中的作用和意义:
只在腔的细薄部位，或在充型后期，流速下降， 才出现层流。
33
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
粘度在材料成形中的作用和意义: 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→粘滞力
※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
6.扩散系数
液态时空位数大大增加，大约10个原子中就有一个空位，因此 扩散速度大为加快，液态中扩散速度比固态晶体中大102～105倍。
25
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
※粘滞性：对金属的流动特性、充型、金属中气体和夹杂的上 浮、补缩有明显影响。
※粘度:液体在层流运动的情况下，各液层间有摩擦阻力，称为液体的内摩
①金属加热时，Em增加； ②金属的熔化首先是从晶界开始； ③当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之 间更容易产生相对运动；
晶内
晶界
6
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
④熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要
继续提供能量使原子间的结合进一步破坏；
⑤与固态比较：
体积变化：固→气：体积无限膨胀； 固→液：体积3～5％， 原子间距1～1.5％；
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。
32
第三节 液态金属的性质
7.液态金属的粘度
黏度在材料成形中的作用和意义:
②粘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。
Байду номын сангаас
实际应用： 一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，
11
700℃时液态Al中原子分布图
12
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 ①原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的 距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。 ②原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规 律性。(固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集 团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到 很大破坏) ③原子集团时刻在变化； ④原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在 “空穴”；（解释：大部分金属熔化时电阻率增 加？） ⑤ 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。
“结构起伏”
“能量起伏”
13
第二节 液态金属的结构
液态金属是由许多“游动的原子集团”所
组成，在集团内可看作是空位等缺陷较多 的固体，其原子排列和结合与原有固体相 似，但存在很大的能量起伏，热运动很强。 原子集团间存在空穴。温度越高，原子集 团越小，游动越快。 故液体既有很好的流动性，只要在重力场 的作用下，其外形就行随容器而变化。
Zn Sn
660.2
419.5 231.9
2450
906 2270
23
第三节 液态金属的性质
3.比热容
4.导热性
比热容小，结晶时铸件断面温差大， 容易出现集中缩孔。
导热性好，冷却速度快，金属断面 温度梯度小，热应力小。
24
第三节 液态金属的性质
5.热膨胀和凝固收缩
绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后体积变小，密 度增大。液态金属比固态金属具有更大的热膨胀率，这主要是由于液 态金属内部的热运动使空位和空穴增加。固态晶体中空位数大约为 10-3～10-6，随温度上升，空穴数不断增加，当金属熔化时空位和空 穴数显著增加，液态体积也明显膨胀。但也有例外：Bi、Si等。合金 的凝固收缩往往和合金的种类、成分及其中是否存在气体有关。
Fe
Al Ag
bcc/fcc
fcc fcc
1809
931 1234
3.6
6.9 3.51
7.61
11.6 9.16
Cu
Mg Zn
fcc
hcp hcp
1356
924 692
3.96
2.95 4.08
9.71
9.71 10.7
Sn
Ga N2 Ar CH
complex
complex -
505
303 63.1 83.78 90.67