液态金属性质

1.1液态金属基本理论

1.1.1液态金属的性质液态金属的结构

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程，它决定着金属材料的微观组织特征。

►►液相成型第1页/共28页第一页，共29页。固态金属

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称为单晶体多晶体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。第2页/共28页第二页，共29页。

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。►►液相结构？第3页/共28页第三页，共29页。1.物理性质变化体积只膨胀3～5％，即原子间距平均只增大1～1.5％熔化潜热只占气化潜热的3～7％见表1

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。

比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相同的数量级。第4页/共28页第四页，共29页。表1几种金属的熔化潜热与气化潜热第5页/共28页第五页，共29页。

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。第6页/共28页第六页，共29页。X射线衍射分析

图1-1是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。

横坐标r为观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径。

纵坐标表示当半径增减一个单位长度时，球体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密度函数。第7页/共28页第七页，共29页。

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一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。这是由于当金属转变为液态时，液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。第8页/共28页第八页，共29页。图1-1700℃液态铝中原子密度分布线第9页/共28页第九页，共29页。可见液态原子分布曲线是介于曲线与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。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。第10页/共28页第十页，共29页。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（图1-2）。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：

◆液态金属是由游动的原子团构成。

◆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。

◆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。第11页/共28页第十一页，共29页。

4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也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。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。

第12页/共28页第十二页，共29页。图1-2液态金属结构示意图

第13页/共28页第十三页，共29页。1.1.2粘度理论

液态金属是有粘性的流体。流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方向运动。在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运动时，会产生摩擦阻力。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，称为粘滞系数或粘度。粘度的单位是Pa·s。粘度的导数叫流体的流动性。

粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。

第14页/共28页第十四页，共29页。

牛顿液体粘滞定律F(x)=dv/dy与面积无关F(x)=ηAdv/dyη—动力粘度系数（m2/N.S）μ=η/ρ运动粘度系数(m2/s)第15页/共28页第十五页，共29页。

影响粘度的因素

温度化学成分非金属夹杂物粘度对材料成型的影响

影响液态金属的流态影响液态金属的对流影响液态金属的净化第16页/共28页第十六页，共29页。

1.1.3表面和界面张力

表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。

A、表面张力和表面能

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，称之为表面张力。

表面张力是气/液界面现象，它的的大小与液相和气相的性质有关。

产生张力的表面层厚度不超过10-7cm，相当于几个原子(分子)液层厚度。第17页/共28页第十七页，共29页。

表面张力：

使液体趋于球状的力表面张力引起的附加压力

p=2σ/r——球状

p=(1/r1+1/r2)σ——任意形状第18页/共28页第十八页，共29页。

由此可见，表面张力是表面S内垂直F方向的单位长度上的拉紧力；

也是增加单位表面积dA外力所做的可逆功，称之为表面能。表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表面张力为10-1N/m，则表面能为10-1J/m2。

第19页/共28页第十九页，共29页。由相关热力学公式可得：

此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。

第20页/共28页第二十页，共29页。B、界面张力和界面能

界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。

界面与表面的差别：

界面泛指两相之间的交界面；

表面专指液体或固体与气体之间的界面，

确切的说，是指液体或固体在真空下的表面。引起表面张力与界面张力的原因？？表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的质点受力不平衡所引起的。

第21页/共28页第二十一页，共29页。

当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图1－8(a)所示。当液相与固相的接触时，三个界面张力的平衡情况见图1－8(b)所示。平衡时水平分量的平衡关系为：

式中SG—固相/气相界面张力；

LS—液相/固相界面张力；

LG—液相/气象界面张力。

第22页/共28页第二十二页，共29页。图1－8同时与固相和气相接触的球冠形液相的

界面张力的平衡情况

第23页/共28页第二十三页，共29页。

影响表面张力的因素：

1.温度

2.溶质：dσ/dc<0表面活性元素

dσ/dc>0非表面活性元素

液固界面现象

1.润湿

2.不润湿

3.杨氏方程：第24页/共28页第二十四页，共29页。称为杨氏方程式，→→接触角θ的值与各界面张力的相对值有关。1）σSG>σLS时，cosθ为正值，即θ<90°称为液体能润湿固体。θ=0°时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。2）σSG<σLS时，cosθ为负值，即θ>90°，液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。θ=180°为完全不润湿。所以θ角又称为润湿角。转换公式得:第25页/共28页第二十五页，共29页。液态金属充填铸型

第26页/共28页第二十六页，共29页。1.1.4流动性与充型能力

流动性：液态金属本身的流动能力。

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。

影响充型能力的因素：金属、铸型、浇注条件、铸件结构

流动性测量：螺旋试样停止流动机理：第27页/共28页第二十七页