第二章 液态金属
第二章 液态金属的结构与特性
2013-7-16
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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。
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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。
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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。
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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。
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材料加工工艺习题【考研】【复习】
《材料加工工艺》考研习题第一章绪论第二章液态金属成形1.金属及合金的结晶包括哪两个基本过程？什么是均质形核和非均质形核？在实际铸造生产中铸造合金结晶的形核是以哪种形核为主，为什么？2.什么是液态金属的充型性能，它与哪些因素有关？铸造合金流动性的好与差对铸件质量有何影响？影响铸造合金流动性的主要因素有哪些？生产中如何采取措施提高铸造合金的流动性？3.铸造合金由液态冷却到室温时要经过哪三个收缩阶段？收缩对铸件质量有什么影响？其收缩大小与哪些因素有关？4.缩孔、缩松是铸件中的常见缺陷之一，哪些因素影响其形成？生产中如何采取措施进行防止？5.什么是铸造应力？铸造应力大小对铸件质量有什么影响？热应力是如何形成的？哪些因素影响其大小？生产中常采取哪些措施来防止和减小应力对铸件的危害？6.铸造合金中的气体主要来源于哪些方面？又以哪些形式存在于铸造合金中？对铸件质量有什么影响？7.铸造合金中的夹杂物是如何分类的？对铸件质有什么影响？如何防止和减小其对铸件的危害？8.湿型粘土砂的主要成分是什么？它有哪些优缺点？适合生产哪些铸件？9.湿型粘土砂的造型方法有哪些？试比较应用震击、压实、射压、高压、气冲和静压等各种造型方法的紧实的砂型紧实度分布（沿砂箱高度方向）。
为什么需要用高密度湿粘土砂型生产铸件？10.树脂自硬砂、水玻璃砂与粘土砂比较有哪些优点？各适用于哪些铸件的生产？11.砂芯的作用是什么？经常使用哪些粘结剂来制芯？常用的制芯工艺有哪些？12.砂型和砂芯涂料的作用是什么？其主要组成有哪些？13.什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪些场合？14.铸件的壁厚为什么不能太薄，也不能太厚，而且应尽可能厚薄均匀？为什么要规定铸件的最小壁厚？不同铸造合金要求一样吗？为什么？。
15.为便于生产和保证铸件质量，通常对铸件结构有哪些要求？16.何谓铸件的浇注位置？它是否指铸件上的内绕道位置？铸件的浇注位置对铸件的质量有什么影响？应按何原则来选择？17.试述分型面与分模面的概念？分模造型时，其分型面是否就是其分模面？从保证质量与简化操作两方面考虑，确定分型面的主要原则有哪些？18.试确定图2-116所示铸件的浇注位置及分型面。
第二章 液态金属加工
之差,即Tm-Tn。
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金属的凝固过程------ 形核，长大
t1 形核
t2 形核并 长大，有新 的晶核形成
t3 长大形 成晶粒
t4 液体消 失，结晶结 束
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结晶驱动力
△GV= △HV-T △SV≈ △HVT △HV /Tm= △HV (Tm-T)/Tm
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表面相 Ns NL
U
N *:形成大于临界半径的晶核的数目，取决于△G*均; 而 △G*均取决于 能量起伏； f0 :原子由液相到固相的净迁移率，取决于△GA（属扩散激活能U） ；
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f0
Ns
Ns
形核率：
U
U
U
U
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形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷 度进一步增大而减小。
G
均
2 16 3Tm 3( Lm T ) 2
G 非 / G
均
2 3 cos cos3 ( ) 4
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【补充】
液态金属凝固，外层原子比内部原子所受束缚少些，因此具有较高 的能量，故将之归为另一相—表面相（两条虚线中间者）。而内部原子 基本为固态晶体排列。表面相由于能量高因而成为凝固的阻力，故尽量 薄一些，以降低表面能。
表面相
r太小，则比表面积很大，表面能（结晶阻力）很大，占优势，故不能长大；只有 r>r*,体相较大，比表面能有所下降，此时才能继续长大。
第二章--液态金属结构
（二）X-射线对液态金属结构的研究结果 1．衍射图像；固体金属是规则分布的斑点，而液态金属是漫 射光环，无序原子造成的X射线漫射。衍射强度分布图。 2. 配位数：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原 子数 3.径向密度分布,或径向分布密度： （radical distribution function-RDF） 表示在r~r+dr 间球壳中的原子数多少。 固体中原子是固定的，故球壳中的原子数 是某一固定的数，而呈现一条条的直线。
三．液体合金的性质 （一）液态金属的粘度 （二）液态金属的表面张力
（一）液态金属的粘度
1、液体粘度的实质 2、影响液态金属粘度的因素 粘度反映了原子间结合力的强弱，类似于熔点，难熔 金属的粘度一般较大。 一般温度越高、粘度下降
3、粘度在铸造生产中的意义 金属的流动性、充型能力； 液态金属中夹杂、气泡的排出； 液态金属的补缩能力: 补缩距离的长度与粘度系数的 平方根成反比： 液态金属用能
W
（二）金属的加热膨胀 1. 原子间作用力的不对称性引起的膨胀 因势能与离子之间的距离的关系是不对称的，当温度 升高，离子发生振动，互相靠近时，产生的斥力要比远离时 产生的引力大，从而使离子相互间易于远离而不易靠近，结 果使原子间的距离加大。
W
R
R0
2．空穴的产生 除了离子间的距离加大以外，点阵中空穴的产生也是造 成膨胀的原因： 由于能量起伏，总有一些原子具有比平均能量高的能 量，使它们能克服周围原子的能垒跑到新的环境中去， 如金属的表面或原子的间隙之中。原子离开点阵之后， 即留下了自由点阵空穴。温度越高，原子的能量越大， 产生的空穴数越多，从而造成金属的膨胀，在熔点附 近，空穴的数量可达原子总数的1%。
4.偶分布函数: g(r)）特征：即距某一参考粒子r处找到另一粒子的 几率，或r处对于平均数密度ρ0（=N/V）的相对偏 差。
液态金属
发
液态金属2015年3月，由清华大学教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静带领的中科院理化技术 研究所、清华大学医学院联合研究小组，发现了一种异常独特的现象和机制，即液态金属可在吞食少量物质后以 可变形机器形态长时间高速运动，实现了无需外部电力的自主运动。
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研究
和简单的非金属液体有许多共同点，20世纪60年代以来对它研究较多。但人们对它的结构细节仍不清楚。熔 融金属的X射线或中子散射可得其径向分布函数g(r)，它在平均意义上描述熔体结构。当r<σ(σ为原子有效直径, 图1)，g(r)=0，说明原子似硬球，不能互相贯穿，r大于2～3nm时，原子完全无规排列,g(r)→1。原子周围最近 邻的原子数叫配位数Z，其中ρ0是熔体粒子数密度。绝大多数金属熔化时体积约增大5%，原子序数Z减小，金属 键不变。少数“反常金属”（如Ga、Ge、Bi、Sb等）熔化时体积约收缩5%，Z增加，共价键部分地变为金属键。 各种金属熔化后结构趋于相近，Z在9～12左右。熔体的Z和r1随温度上升而稍改变，但g(r)基本特点不变。
技术
中国液态金属变形技术
《不同构象之间的液态金属多变形性》论文，揭示出室温液态金属具有可在不同形态和运动模式之间转换的 普适变形能力。比如，浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形、自旋、定向运动，乃至 发生液球之间的自动融合、断裂-再合并等行为，且不受液态金属对象大小的限制；较为独特的是，一块很大的金 属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球，变形过程十分快速，而表面积改变幅度可高达上千倍；此外，在外电 场作用下，大量彼此分离的金属液球可发生相互粘连及合并，直至融合成单一的液态金属球；依据于电场控制， 液态金属极易实现高速的自旋运动，并在周围水体中诱发出同样处于快速旋转状态下的漩涡对；若适当调整电极 和流道，还可将液态金属的运动方式转为单一的快速定向移动。研究表明，造成这些变形与运动的机制之一在于 液态金属与水体交界面上的双电层效应。以上丰富的物理学图景革新了人们对于自然界复杂流体、软物质特别是 液态金属材料学行为的基本认识。这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现， 它们事实上成为用以构筑可变形智能机器的基本要素，为可变形体特别是液体机器的设计和制造开辟了全新途径。
新型液态金属材料的润滑性能研究
新型液态金属材料的润滑性能研究第一章引言液态金属材料是一种特殊的材料，在高温环境中表现出独特的物理和化学性质。
对于一些需要高温润滑的工业应用而言，液态金属材料的润滑性能是至关重要的研究方向。
本文将针对新型液态金属材料的润滑性能展开研究。
第二章液态金属材料概述液态金属材料，也称为金属玻璃或非晶态金属，是一种无序的金属结构材料，具有非晶结构的特点。
与传统的晶态金属相比，液态金属材料具有较高的液态区域，可在更高的温度下维持液态。
液态金属材料具有良好的热导性、电导性以及较高的强度和韧性，因此在高温环境中具有广泛的应用前景。
第三章液态金属材料的润滑机制液态金属材料在高温环境中具有一定的流动性，这为其作为润滑材料提供了一定的基础。
液态金属材料的润滑机制主要包括以下几个方面：首先，液态金属材料具有较低的粘滞性，能够减小摩擦力和表面粗糙度，提高工作效率；其次，液态金属材料具有良好的抗氧化性能，能够在高温氧化环境中保持稳定，不易出现氧化腐蚀；最后，液态金属材料具有较高的热导性，可以有效地吸收和散发热量，降低工作温度，延长设备寿命。
第四章液态金属材料的性能测试液态金属材料的润滑性能可以通过一系列实验测试进行评估。
常用的测试方法包括摩擦力测试、抗氧化性能测试以及磨损性能测试等。
通过这些测试，可以获得液态金属材料的摩擦系数、氧化温度以及磨损率等指标，进而评估其在润滑领域的应用潜力。
第五章新型液态金属材料的研究进展随着科学技术的发展，越来越多的新型液态金属材料被研制出来，并逐渐应用于不同的领域。
这些新型液态金属材料具有不同的化学成分和物理性质，因此其润滑性能也会有所差异。
在这一章节中，我们将介绍一些具有较好润滑性能的新型液态金属材料，并探讨其应用前景和研究方向。
第六章液态金属材料的应用案例液态金属材料在润滑领域的应用案例丰富多样。
例如，在高温轧制过程中，使用液态金属材料作为润滑剂，可以有效降低摩擦力，提高产品的表面质量；在高温机械加工中，使用液态金属材料作为润滑剂，可以减少刀具磨损，延长使用寿命。
第二章液态金属的结构与性质剖析
间更容易产生相对运动；
晶内
晶界
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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：
沸点℃ 2450 906 2270
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第三节 液态金属的性质
3.比热容 比热容小，结晶时铸件断面温差大，
容易出现集中缩孔。
4.导热性 导热性好，冷却速度快，金属断面
温度梯度小，热应力小。
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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。
对大多数合金而言，熔化所吸收的热量包括：①真 正的熔化热；②从固相线加热到液相线所吸收的热量。
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第三节 液态金属的性质
2.沸点和蒸发热
各种金属的沸点差别很大。熔点和沸点无直接关系， 利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损量，蒸发热远高于熔化 热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。
金属 Al Zn Sn
熔点℃ 660.2 419.5 231.9
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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:
第二章 液态金属
二次结晶。
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第三节 液态金属的性质
一、液态合金的粘度 二、液态合金的表面张力
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一、液态合金的粘度
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合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：
M-H（Moelwyn-Hughes）模型：
( X 1 1
X 22 )1
2
Hm RT
若溶若η质1混—与合—溶纯热剂溶H剂在m的为固粘负态度值形；，成η2合金—金—属溶元间质素化的的合粘增物度加，；会则使合合金金液 的金表N度液异粘a粘液面提的类度R）X度中为活高1粘 原 随使、气将 存性 。度 子 之X液体会 在2元上 间 提体分常明 异素别升 结 高粘数显 类（为，（ 合 ）度高原纯如H力H降m溶于子m向大低为剂纯间为A于两，和l溶较负-组同非溶S剂强值元i质类合表金的表的的原金面混属化明在子中活合溶液学反，添性热液的结应因。加杂中粘 合为此的质的度 键放m摩变的， 。热o擦质存le因反分阻元在为应数力素使合，，及粘
t0以负—际理的—金解指为属原为 数液子， 关的在液 系原平体）子衡的所间位原共置距的子同δ也振之制动非间约周定结，期值合通（，力常对温液越，态度大 总金升， 的属高则 趋约，内 势为原摩 随
δ擦温子—10阻度—热-1T力3振液秒而越体动）下各大加降原，剧；子粘，层（度原之温也子间度就的间很间越距高距高增时；大除，外η）随之下降；
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影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
液中金的属非液金各属种夹精杂炼物9工2 （艺g如，(各希m种望氧尽化B可)物r能2及彻硫底化地物脱等去）金和属
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►►液相结构？
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2、液态金属的结构
➢ 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。
➢ 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）熔化潜热和气化潜热
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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。
熔点附近
晶界粘性流动
接近熔点
从晶界开始
晶粒相对滑动
晶粒失去原有形状 晶粒瓦解，体积突然膨胀
继续吸热 （熔化潜热）
温度不变，内能增加
晶粒瓦解，形成此起彼伏 的原子集团，游离原子和
空穴
约3% — 7%
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二、液态金属的结构
1.液体与固体、气体结构比较
固态
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
4
二、 液体的表观特征
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）。
1
第一节 引言 第二节 液态金属的结构 第三节 液态合金的性质 第四节 液态金属的充型
2
第一节 引言
一、 液体的分类 二、 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）
程，它决定着金属材料的微观组织特征。
►►液相成型
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1.金属中的原子结合
R→∞，F ＝ 0
R ＞ R0 ，F＜0（引力） → 靠拢
R ＜ R0 ，F＞0（斥力） → 分开
R ＝ R0 ，F＝0
→ 平衡
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以双原子为模型，假设左边的原子在坐 标原点被固定，右边的原子是自由的。 温度升高时，右边自由振动原子的振幅 增大。此时，若该原子以Ro为原点作 简谐振动，则其平衡位置仍是Ro，就 不会发生膨胀。当温度升高，其间距 （振幅中心位置）将由 Ro→R1→R2→R3→R4 。能量从 W0→W1→W2→W3→W4 时，原子间距 离将随温度的升高而增加，即产生热膨 胀。
2）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量不均匀性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散，存在结构起伏。
同一种元素在不同原子团中的分布量不同， 存在成分起伏
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1200℃时液态金属原子的状态
1500℃时液态金属原子的状态
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金属由液态转变为固态的凝结过程，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，
（一） 液态合金的粘度及其影响因素 （二） 粘度在材料成形中的意义
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（一）液态合金的粘度及其影响因素
1. 液体粘度的定义及意义 2. 粘度的影响因素
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1. 液体粘度的定义及意义
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：
dVX
dy
液体粘度量纲为[M / LT]，常用单位为
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相 同的数量级。
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表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
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固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态金属则几乎总是非晶体 。
液态金属在结构上更象固态而不 是气态，原子之间仍然具有很高的 结合能。
3、液态金属的结构特征
l）组成：液态金属是由游动的原子团、空 穴或裂纹构成。
粘P表aτ—度·S述—的或为平物M：行P理a液于·意SX体。方义流向可动作视用的为于速：液度体作梯表用度面于 液d要体V产X表/生d面相y（与同的X剪的-应Zd切面力V）应X大/d的力y小，外τ与液成加体垂正剪内切直比摩应于。擦力该阻，力 平越V通大X面—常，方—条即液向η件体越上下在大的X，，方速所所向度需有的梯外的运加度动液剪的速态切比度应金，例力属系也符越 数大d合。V。X牛/d顿y—定—律表示，沿被Y称方为向的牛速顿度液梯体度。。
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第二节 液态金属的结构
一 、 固体金属的加热、熔化 二 、 液体金属的结构
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一、 固体金属熔化为液态时的变化
物质的 “三态”转变
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金属和合金材料的加工制备过程？
配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属炉料
的加入百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分
的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结晶过
Z
o
τ
X
δ
V1
V2
V3
V 4
V5
......
Y
外力作用于液体表面各原子层速度
这种膨胀只改变原子的间距，并 不改变原子排列的相对位置。
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2.金属的加热膨胀
升温
➢热运动
热振动加剧，E转化为势能达新的平衡
R1、R2、R3 （＞R0） 平衡距离增加（膨胀）
升温
➢能量起伏
起伏加剧
部分原子越过势垒
形成空穴
空穴移动、增多
膨胀
膨 胀 原 因 ？ 原子间距增大和空穴的产生
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3.金属的熔化
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：金属通常是由位向不同的小单晶
（晶粒）组成，属于多晶体。
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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。
液态金属？
液态金属中的原子和固态时一样，均不能自 由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但 振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、
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。
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第三节 液态金属的性质
一、液态合金的粘度 二、液态合金的表面张力
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一、液态合金的粘度