第一章_液态金属的结构与性质
第1章 液态金属结构与性质
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课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛
下篇 陈文琳
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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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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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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
材料成型理论基础练习题上解读
第1章 液态金属的结构与性质1.液体原子的分布特征为 无序、 有序，即液态金属原子团的结构更类似于 。
2.实际液态金属内部存在 起伏、 起伏和 起伏 。
3.物质表面张力的大小与其内部质点间结合力大小成 比，界面张力的大小与界面两侧质点间结合力大小成 比。
衡量界面张力大小的标志是润湿角θ的大小，润湿角θ越小，说明界面能越 。
4.界面张力的大小可以用润湿角来衡量，两种物质原子间的结合力 ，就润湿，润湿角 ；而两种物质原子间的结合力 ，就不润湿，润湿角 。
5.影响液态金属表面张力的主要因素是 ， ，和 。
6.钢液中的MnO ，当钢液的温度为1550℃时，3/0049.0m s N⋅=η，3/81.97000m N g ⨯=液ρ，3/81.95400m N g ⨯=杂ρ，对于r=0.0001m 的球形杂质，其上浮速度是多少？参考答案：0.0071m/s7.影响液态金属充型能力的因素可归纳为 合金本身性质 、 铸型性质 、 浇注方面 、 铸件结构方面 四个方面的因素。
8.影响液态金属黏度的因素有 合金成分 、 温度 、 非金属夹杂物 。
9.合金流动性：合金本身的流动能力；充型能力：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。
10.液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？答：液态金属的流动性和充型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的充型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而充型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的充型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L 要大；③比热、密度大，导热率小;④粘度、表面张力小。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数小；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。
1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
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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第三节 液态金属的性质
1. 液态金属的粘度
1）液态合金的粘度及其影响因素
••流•①在液体粘层态在度界金层系面属流数上是流或的有动粘质粘状度点性态，相的下表对流，达另体流式一。体：层中界的面所上有的液质层点按作平相行对方向运动。 运动时，会产生摩擦阻力。
20世纪60年代后，研究的重点在经典理论的应用，出 现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重 熔技术、半固态铸造、扩散铸造、调压铸造等凝固技术和 材料成型方法。
其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。 大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。通过计算机 定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和凝固缺陷 进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。 它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结 果更接近于实际。国际国内已出现了许多商品化的凝固模 拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。
凝固技术发展历程
最古老的艺术、技术之一 —— 冶铸技术 合金配制、凝固控制、组织控制
我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已很 发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字俱全, 铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今2400多年前 战国初期铸造的。
战国时期的《考工记》记载：“金有六齐：六分其金， 而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓 之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓之戈戟之齐；三 分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居 其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是 世界上最早的合金配比规律。
第一篇 液态成形理论基础
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
液态金属的结构和性质 液态成形中的流动和传热 液态金属的凝固形核及生长方式 单相合金与多相合金的凝固 铸件凝固组织的形成与控制 特殊条件下的凝固
引言
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。主要研究对象——液体金源自 液态金属凝固学就是研究液态金属转变
可以看出UδT：：τ，：k0：B相无影热：原邻外响力Bo子原力粘学lz在子m时度温a平平原的度nn衡衡子因常位位之素数置置间有的的的：振平结动均合周距能期离或（原对子液扩态散金势属垒约为10－13 s）
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。
b.原液子体间的距原δ子.之粘间度结随合原力子越间大距，增则大内而摩减擦小阻。力越大，粘度就越高
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 熵表1-2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。
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相 同的数量级。
固体金属的加热熔化
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
研究内容
液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、 宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方 法。
影响液态金属凝固过程的最主要因素是化 学成分。
第二个主要的因素是凝固速度。这是一个 重要的外在的工艺因素。
液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕 育、球化、变质等）、外力（如电磁力、离心 力、重力等）也能对凝固过程产生重大的影响。
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 是汽态，原子之间仍然具有很高的 结合能。
X射线衍射分析
理想液体的原子平 均密度分布曲线。
4r 2 (r)
径向分布函数表示 在r+dr之间的球壳 中原子数的多少
固态铝中原子分布的规律， 原子位置固定，在平衡位 置做热运动，故球壳上原 子数显示出是某一固定的 数值，呈现一条条的直线
4r3g(m B) 2gr2 (m B)
3 6r
9
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
2）粘度在材料成形中的意义
② 对液态合金流动阻力的影响
层流？紊流？雷诺数！Re＝D vρ/η
(>2300紊流，<2300层流)
f层＝
32 Re
32 D
大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒） 组成，属于多晶体。
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、导热和流动性。
其第一峰值与固态时的衍射线 （第一条垂线）极为接近，其配位数 与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态 时的峰值偏离增大，而且随着r的增大， 峰值与固态时的偏离也越来越大。
当它与所选原子相距太远的距离 时，原子排列进入无序状态。
表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范 围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间 距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。
夹杂和气泡上浮的动力
P gm B 即二者重量之差
在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动
根据stocks原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力Pc为：
Pc 6r r为球形杂质半径，v为运动速度
杂质匀速运动时，Pc＝P，故 6r g m B
水凝结成雪花晶体
液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体
金属
主要研究（学习）内容
（1）液体金属的性质 （2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力 学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶方式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止
（气孔、夹杂、缩孔、缩松）
理论基础
物理化学、金属学、传热学、传质学 和动量传输学。
凝固学与材料成形
液态成形：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特 性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。 塑性成形：与液态金属凝固无直接关系，但有重要的 间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂 纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产 品。 粉末成形：是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝 固而成的。
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:
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
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）
粘度的本质：原子间的结合力
c.温度T. 总的趋势：随温度T的升高而下降 d•温.由合度上金呈式直元可线素以关得和系知夹。，杂因函物此数，eU当/KT温随度温不度太升高高时而，降指低数。项而e2Uτ0/KKTT随/δ温3项度则增与
高 项e而U/急表KT趋剧面近变活于化性1，元。因素这而使时使液随粘体温度粘度下度增降降高(低反，，比粘非)度。表值但面呈是活直当性线温元增度素加很使（高粘正时度比，提）指高。数 （显然，这种情况已是接近气态了。）
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 。
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
金属的熔化
熔点附近
晶界粘性流动
成固态金属这一过程的理论和技术。包括定 性和定量地研究其内在联系和规律；研究新 的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或 开发新的金属材料成型工艺。
凝固现象的广泛性：
自然界的物质通常存在三种状态，即 气态、液态和固态。在一定的条件下，物 质可以在三种状态之间转变。物质从液态 转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观 上的定义。从微观上看，可以定义为物质 原子或分子从较为激烈运动的状态转变为 规则排列的状态的过程。
dvx 单位：Pa·s。
dy
②粘度的物理意义： 作用于液体表面的应力大小与垂直于 该平面方向上的速度梯度的比例系数
•当相距1cm的两个
平行液层间产生 1cm/s 的 相 对 速 度 时，在界面1cm2面 积上产生的摩擦力
②粘度的影响因素 富林克尔表达式：
2k BT 3
0
exp( U ) k BT
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% — 5%
热物理性质（表1-1、1-2）
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 ％ 见表1-1
实际金属的液态结构
液态金属内存在近程有序的原子集团。所 以，液态金属结构具有如下特点： l）液态金属是由游动的原子团构成。 2）能量起伏。 3）结构起伏。 4）浓度起伏（或成分起伏）。
实际金属的液态结构
金属由液态转变为固态的凝固过程，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，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。
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