液态金属的结构和性质

第1章

液态金属的结构与性质

本章主要内容1.1液态金属的结构1.2液态金属的性质1.3液态金属的充型能力1.1液态金属的结构1.1.1液体与固体、气体结构比较及衍射特征1.1.2由物质熔化过程认识液态金属的结构1.1.3液态金属结构的理论模型液态金属结构是指在液态金属中原子或离子的排列或分布的状态。决定液态金属原子(或离子)分布规律的是原子之间的交互作用能。所有的关于液态金属结构的模型和理论，都是力图说明其原子排列与原子间交互作用能之间的关系，用一种比较严密的物理和数学表达式来描述结构，并用它来解释液态金属的各种物理化学性质。金属液态结构的研究方法

直接测定法：即用X射线衍射、中子衍射等手段直接测定金属的液态结构，研究液态金属原子的排列情况；

间接法：即测定对结构敏感的物性，如密度、黏度和电阻率等，然后根据敏感物性推断金属液态结构的变化。

1.1.1液体与固体、气体结构比较及衍射特征晶体：

平移、对称性特征（长程有序）

——原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动气体：

完全无序为特征

——分子不停地作无规律运动液体：

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描述液态金属结构的主要参数偶分布函数g(r)

平均原子间距r1径向分布函数RDF配位数N1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。或

偶分布函数g（r）不能直接测量，但可用X射线衍射或中子衍射方法间接确定。液体的g（r）曲线与非晶态的g（r）曲线很相似，但非晶态的g（r）曲线的第一个峰更加尖锐，第二个峰一般分裂为两个次峰，两次峰中，第一峰比第二峰高。

气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征平均原子间距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。径向分布函数—RDF(radicaldistributionfunction）

表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。

稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的径向分布函数（RDF）配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数。配位数N1的求法：RDF第一峰之下的积分面积；

N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数，因为它们描绘了液体的原子排布情况。RDF第一峰之下的积分面积即所谓配位数N1

1.1.2由物质熔化过程认识液体结构1、金属熔化时体积的变化固→气态时，其体积无限膨胀；固→液态时，其体积变化ΔV/V为

3～7％，即原子平均间距仅增加1～1.5％。表明液体的原子间距接近于固体。CrystalMatter

StructureTypeT0/℃ΔV/V/%Alfcc660+6.9Febcc/fcc1536+3.6Aufcc1063+5.1Agfcc960+3.51Cufcc1084+3.96Mghcp650+2.95Znhcp420+4.08Sncomplex231+2.4Gacomplex303-2.9表1-1几种金属熔化时的体积变化

2、熔化潜热与汽化潜热金属熔化潜热Lm比其汽化潜热Lb小得多，为1/15～1/30，表明金属熔化时其内部原子结合键只有很小一部分被破坏。(Hb/ElementLm/(KJ.mol-1)Lb/(KJ.mol-1)Lm/LbΔSm/(J.K-1.mol-1)ΔSb/(J.K-1.mol-1)ΔSm

/ΔSbAl10.45290.930.03611.20105.680.106Au12.79341.920.0379.57106.090.090Cu13.00304.300.0439.59106.850.090Fe15.17339.830.0458.39101.650.083Zn7.23114.950.06310.4397.410.107Cd6.3999.480.06410.7795.840.122Mg8.69133.760.0659.4297.210.097

表1-2几种晶体物质在熔化和汽化时的热物理性质变化

3、熵值变化熵值表示一个体系的紊乱程度，熵值越大，体系越紊乱。金属由固态变为液态时的熵值增加比由液态转变为气态的熵值增加要小得多。从熵值变化的比值ΔSm/ΔSb可以看到，金属熔化时其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。说明液态金属中一定保留着大量原子规则排列的有序结构。4.熔化前后金属原子间距和配位数原子配位数原子间距

固态铝120.286nm

液态铝10～110.298nm

气态铝0∞金属液态固态原子间距/nm配位数原子间距/nm配位数Al0.29810～110.28612Zn0.294110.265，0.2946+6Cd0.30680.297，0.3306+6Au0.286110.28812Bi0.3327～80.309，0.3463+3

表1-3用衍射法测得的金属液态和固态的结构数据的比较1.1.3液态金属结构的理论模型1.无规密堆硬球模型2.液态金属结构的晶体缺陷模型3.液体结构及粒子间相互作用的理论描述4.实际液态金属的微观特点1.无规密堆硬球模型

该模型将液体假想为原子紊乱的密集球堆。由这一理论建立的模型和对单原子液体所进行实验测定而得出的原子径向密度是一致的。这种结构模型的建立方法是：将几千个钢球填入到一个球形袋内，使之紧实并给以摇动，这样就得到了紊乱排列的密集球堆，之后浇上油漆使钢球黏结在一块。

在对单个钢球接触点的数量进行计算之后，液体结构的平均配位数即可确定。对这个球堆模型的研究发现，在此紊乱紧密排列的球堆中，存在有被称为“伪晶核”的高致密区，这种“伪晶核”也就是液态转变为固态时的“晶胚”。因此，这一理论也可以有效地阐明在液态原子紊乱的紧密堆积中，局部地区存在有原子“近程有序”的规则排列。

2、液态金属结构的晶体缺陷模型

液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。微晶模型：液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接。空穴模型：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。位错模型:液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。3、实际液态金属的微观特点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（或相起伏）。（4）浓度起伏（或成分起伏）。“能量起伏”——系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象“结构起伏”——液态金属中出现的近程有序原子集团的时隐时现现象。“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，表现为游动原子集团之间存在着成分差异系统（液相）能量起伏的含义：（1）某一瞬时，各微观体积能量不同；（2）不同瞬时，某一微观体积能量分布不同。液相能量起伏呈正态分布。在具高能量的微观区成核，其能量可补偿表面能，克服能垒。出现几率能量起伏大小小结液态（相）金属结构

结构：长程无序而近程有序，即液态金属由近程有序排列的原子集团构成。原子集团：能量不稳定、结构尺寸不固定。

特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。

1200℃1700

℃1550℃1400℃不同温度下液态金属原子的状态1.2液态金属的性质

1.2.1液态金属的黏度

1.2.2液态金属的表面张力1.2.1液态金属的黏度一.液态金属的黏度及其影响因素二.黏度在材料成形中的意义一.液态金属的黏度及其影响因素1.液体黏度的定义及意义2.黏度的影响因素1.液体黏度的定义及意义黏度系数---简称黏度(动力黏度η)，是根据牛顿提出的数学关系式来定义的：

τ—平行于X方向作用于液体表面（X-Z面）的外加剪切应力，

VX—液体在X方向的运动速度，

dVX/dy—表示沿Y方向的速度梯度。外力作用于液体表面各原子层速度

通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。粘度的物理意义：是促使流体流动产生单位速度梯度的剪应力。液体黏度量纲为[M/LT]，常用单位为Pa·S

或

mPa·S。2、影响黏度的因素富林克尔表达式（黏度表达式）：

KB——Bolzmann常数；

U——为无外力作用时原子之间的结合能；

t0——为原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13s）；

δ——液体各原子层之间的间距。由上式可知：结合能U：黏度η随原子间结合能U按指数关系增加，这可以理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，黏度也就越高。原子间距δ：黏度随原子间距δ增大而降低（成反比）。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，原子间距增大，η随之下降。黏度的本质：原子间的结合力。黏度的影响因素：（1）温度T：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）所共同制约，通常，总的趋势：随温度T升高而下降（见下图）。a）LiquidNib）LiquidCo液体的黏度与温度的关系（图中各曲线分别为不同研究者的研究结果）（2）合金元素合金元素对合金液黏度的影响比较复杂。M-H（Moelwyn-Hughes）模型：

式中，η1、η2—分别为纯溶剂和溶质的黏度；

X1、X2—分别为纯溶剂和溶质的在溶液中的mole分数；

R—气体常数；Hm—为两组元的混合热。若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的黏度上升（Hm为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及黏度随之提高）若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的黏度将会明显高于纯溶剂金属液的黏度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。表面活性元素当合金液中存在表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素Na）时，由于冷却过程中表面活性元素抑制原子集团的聚集长大，使金属液黏度降低。通常，表面活性元素使液体黏度降低，非表面活性元素使黏度提高。（3）非金属夹杂物

液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的黏度增加，如钢中的硫化锰、氧化铝、氧化硅等。这是因为夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时内摩擦力增加，夹杂物越多，对黏度影响越大。但有些熔点低的杂质在液态金属中呈熔融状态，反而会使该液态金属的黏度降低。二.黏度在金属液态成形中的意义

先引入运动学黏度及雷诺数的概念运动学黏度为动力学黏度除以密度，即：运动学黏度ν—适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学黏度系数ν之后，ν金和ν水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理来考虑）。动力学黏度η—在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力黏度系数η有关。层流？紊流？雷诺数！

Re＞2300时为紊流；Re＜2300时为层流圆形管道：f为流动阻力系数：

→∝η→∝η0.2流态对流动阻力的影响所以，流动阻力在层流时受黏度影响大。液态金属在浇道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，则呈现为层流。总之，液态合金的黏度大其流动阻力大。黏度对铸件成形过程的影响对铸件轮廓清晰度的影响对热裂、缩孔、缩松倾向的影响对液态金属净化的影响黏度对铸件轮廓清晰程度的影响在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为降低液体的黏度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。黏度对热裂、缩孔、缩松倾向影响

由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时黏度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量。黏度对液态金属净化的影响斯托克斯（Stokes）公式被卷入液态金属中杂质，密度与液态金属不同，

上浮至表面下沉到底部一般杂质密度均小于液态金属，在大多数情况下要上浮至液态金属的表面。

液态金属中杂质的上浮或下沉速度，由什么力来决定？

杂质所受液体的斥力杂质的运动阻力斥力的大小和杂质与液态金属之间的密度差有关。杂质的运动阻力取决于?→液态金属的黏度

→杂质表面性质

→杂质的运动速度

杂质进入液态金属后，无论是上浮还是下沉，在最初非常短的时间内它以加速运动；

以后便是匀速运动，这说明杂质所受到的诸力很快处于平衡。

设杂质的体积为V，液态金属的密度为

液，杂质的密度为

杂，则杂质受到液态金属斥力F斥为：

根据斯托克斯（stokes）试验，液态金属对半径小于0.1cm球形杂质的运动阻力F阻为：

式中v—杂质的运动速度；r—杂质半径；

η—液态金属的黏度；g—重力加速度。作用在杂质上的力处于处于平衡时：此即著名的斯托克斯（Stokes）公式，表明黏度η较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。因此，杂质的匀速上浮速度为：杂质在液体金属内部的上浮速度影响因素：

1）与杂质和金属之间的密度差（

液－

杂）成正比；

2）与杂质颗粒半径r成正比，颗粒越大上浮速度越快；

3）与液态金属的黏度η成反比，温度越高，黏度越低，将有利于杂质上浮。杂质沉浮的速度非常重要，若此速度大则易于去除，使液态金属得以净化，有利于获得优质铸件，否则就难以净化。

相反的期望?

金属基复合材料的液相制备过程1.2.2液态金属的表面张力一.表面张力的实质及影响因素二.表面张力在液态金属成形中的意义一.表面张力的实质及影响因素表面张力及其产生的原因表面自由能与表面张力的关系表面与界面液、固、气界面的界面现象

影响表面张力的因素表面张力引起的曲面两侧压力差1、表面张力及其产生的原因表面张力是液体表面内产生的平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。位于液体内部位于液体表面液体表层与内部分子或原子受力示意图受力不均，指向内部的合力原子或分子处于力的平衡状态这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高，所以物体倾向于减小表面积2、表面自由能与表面张力的关系由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面能。如图所示，设表面S在绷紧力F的作用下，拉长了Δx距离。则外力所做的功为：

S1简单的薄膜拉伸试验表面能：产生新的单位面积表面时系统自由能的增量进一步可得：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ΔS外力所做的可逆功，称之为表面能。表面张力和表面能虽然是不同的概念，但符号相同，大小一样，单位也可以互换，通常表面张力的单位为力/距离（如N/m），表面能的单位为能量/面积（如J/m2）是从不同角度描述同一表面现象。S1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。S13、表面与界面界面与表面的差别：

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。

界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。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。4、液、固、气界面的界面现象内聚功

用来表示相同液体间的吸引强度。设有一截面积为1cm2的液柱A，如图所示。不改变截面积而将其拉成两段，这时所消耗的功称为该液体的内聚功。内聚功示意图

拉开后产生了2个面积为1cm2表面A，由于每个表面产生时所需要的功为σ，则产生这两个表面所需要的功为2σ，所以内聚功为：内聚功示意图黏着功黏着功用来表征液体对固体的润湿情况。如图所示，倘若液柱一端为液体B，另一端为不相溶的液体或者固体A，则拉开之后原来的界面AB不再存在，而出现了两个新的表面A和B。这时所消耗的功称为黏着功。黏着功示意图产生表面A和B时所需要的功分别为σA和σB，则黏着功为：或

只有黏着功大于内聚功时，液体才能对固体浸润。从热力学角度来看，凡是液-固两相接触后，体系的自由能降低时称为润湿，自由能降低越多，润湿程度就越大。润湿角θ：衡量界面张力的标志当液、固、气三相接触时，三个界面张力的平衡情况如图所示。

润湿角与界面张力平衡时水平分量的平衡关系为：式中，

SG—固/气界面张力；

LS—液/固界面张力；

LG—液/气界面张力。此即杨氏方程式，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。4、影响表面张力的因素

（1）熔点

界面张力的实质是质点间的作用力。原子间的结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。液体金属表面张力与熔点的关系可近似用下式表示：

（2）温度

表面张力与温度的定量关系表达式：可知：表面张力随温度升高而下降。

对于大多数金属来说，其表面张力随着温度的升高而降低。这是因为温度升高而使液体质点的结合力减弱所致。例外：铜、铁。（特沃斯方程）液体金属表面张力与温度的关系

（3）溶质元素溶质元素对液态金属表面张力的影响分两大类：使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，“活性”之义为表面浓度大于内部浓度，也称正吸附元素提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。

Gibbs表面吸附方程

实验发现：

液态金属中溶解溶质(包括夹杂物)，会改变液态金属的表面张力和熔体/晶体的界面张力。有些溶解夹杂物会使表面张力增大，有些溶解夹杂物会使表面张力减小。

两类溶质A.使液态金属表面张力降低→溶质对该金属称为液态金属的表面活性物质→具有正吸附作用→即溶质在表面之浓度大于溶质在内部的浓度；B.使液态金属表面张力增加→溶质对该金属称为液态金属的表面非活性物质→具有负吸附作用→即溶质在表面之浓度小于溶质在内部的浓度。

所谓活性和非活性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。

当在A溶剂中加入溶质B后，在多数情况下，溶液表层的溶质浓度并不等于溶液内部的浓度，有下列三种情况：

(1)CB表面>CB内部正吸附现象；

(2)

CB表面<CB内部

负吸附现象；

(3)CB表面=CB内部无吸附现象。加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后改变了溶液表面层质点的力场不对称性程度。如果加入溶质B降低了溶剂A的表面张力，则表面层就会吸收更多的溶质原子形成正吸附现象。

→表面活性物质→跑向表面

反之，如果加入溶质B后，增加了溶剂的表面张力，则表面层就会排斥溶质原子B，而形成负吸附现象。

→表面非活性物质→跑向内部如果加入溶质B后，并不改变容剂的表面张力，则不形成吸附现象，整个溶液浓度是均匀的。

Gibbs溶液表面的吸附公式，通常写成：

表明了溶质对某液相的活性和非活性的程度。指恒温时，表面（界面）张力随溶质浓度的变化率，称为表面活性。时，表明随着溶质浓度增加，溶液的表面张力降低；时，表明随着溶质浓度增加，溶液的表面张力增加；时，即表面溶质浓度变化量为零，此时无吸附现象发生。例如在铝中加入千分之几的锂、铋、镁等微量元素后会使金属的表面张力降低。在铝硅合金中加入钠可使液态金属的表面张力下降，因此钠对铝硅合金是表面活性物质，能吸附在硅的表面，阻止硅的长大，对初生硅有细化作用。5.表面张力引起的附加压力弯曲液面产生的附加压力用一根玻璃管吹一个肥皂泡，若将管口堵住，肥皂泡可以长时间存在，若不堵住管口，肥皂泡将会不断缩小，很快聚成一个液滴。

WHY?

现象说明，只要液面不是平的，则其内外压力不同。因为气泡是一个弯曲液面，液体的表面张力迫使液面向内收缩，产生一种额外的压力，这个额外的压力叫做附加压力。要使气泡稳定，气泡内除了要有压力对抗大气压外，还必须有一个压力和附加压力抗衡，所以气泡内的压力必须大于外压。

附加压力的大小和液面的曲率半径有关。拉普拉斯—扬方程式推导如图所示，实线曲面为α相和β相的界面元，界面上任一点的曲率半径应皆不相等。现设r1和r2分别为包含x边和y边的锥面的主曲率半径。

α和β相的曲界面的移动

在恒温恒压下，当界面元向β相移动dz的距离时，则引起界面元面积的变化为：∵∴

体系所作的表面功为：根据相似三角形原理，得：

得到，所以，

再从热力学体积功考虑，当界面移动后，α相体积的增大等于β相体积的减少。体积功的计算等于α相反抗p膨胀所做的功：当两相达到平衡时，也就是则此式称为拉普拉斯公式，有表面张力产生的附加压力叫拉普拉斯压力。当曲面是球面时，，则

当曲面是圆柱面时，，则

表明:

→半径r越小，附加压力p越大，

→凸面液体（如液珠）r≥0，附加压力p为正，附加压力指向曲率中心；

→凹面液体（如液体中的气泡）r

0，附加压力p为负；

→平面液体r=∞，附加压力p=0。二.表面张力在液态金属成形中的意义

表面张力在大体积系统中显示不出它的作用，但在微小体积系统会显示很大的作用。界面张力与润湿角液态金属的充型能力防止因附加压力引起铸件黏砂铸件凝固过程的热裂倾向液态金属净化效果1、界面张力与润湿角接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。

例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。

铸型材料一般不被液态金属所润湿，故液体金属在铸型细管道内的表面是凸起的，如图所示。此时产生指向液体内部的附加压力：R为凸面的曲率半径。2、液态金属的充型能力液态金属在铸型细管道内的凸起表面H附加压力：

r为型腔管道半径。要克服铸型中由表面张力而引起的附加压力，必须附加一个静压头，其值不小于H。对于一定的金属和造型材料，σ和θ为定值，则管道半径r越小，要求的附加压头越大。3．防止因附加压力引起铸件黏砂

铸造过程中金属液是否侵入砂型毛细管而形成黏砂，与表面张力σ引起的附加压力p有关。通常，金属液与砂型不润湿，有利于防止金属液侵入砂型毛细管而形成黏砂。但毛细管直径D及金属液静压头H越大，越容易产生黏砂。经推导，是否形成黏砂的毛细管临界直径（与型砂粒度大小有关）为:4．铸件凝固过程的热裂倾向

在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将其两侧的晶体紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。凝固收缩引起的拉应力如果大于由表面张力所产生的应力，则液膜两侧的固体将急剧分离。液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力越大，裂纹越难形成。5、液态金属净化效果铸造过程高温下溶入到液态金属中的气体，如（N2、H2、O2），在温度下降时因过饱和而分别析出，析出的小气泡如能迅速聚集为大气泡，便可以较快的速度上浮，在液态金属凝固之前逸出，否则，将滞留在金属中成为气孔。

假设液态金属中同时存在两个大小不同的气泡，由表面张力在大、小气泡内产生的附加压力分别为p1与p2，则p2＞p1。当两气泡汇集接触时，由于小气泡中的气体压力高于大气泡，因此小气泡中的气体将迅速充入大气泡。两气泡聚合后尺寸增大，由斯托克斯公式可知，聚合后气泡的上浮速度将显著加快。

在近代新材料的研究和开发过程中，如复合材料，界面现象更是担当着重要的角色。凡是用液态金属浸渗、挤压铸造等在液态下进行的方法制备复合材料，浸润性的好坏（表面张力的大小）就成为工艺成功与否的关键。常采用增强体表面涂覆、金属熔体用表面活性元素、合金化等方法来改变增强体和金属熔体的表面张力，以实现改善浸润性的目的。1.3液态金属的充型能力1.3.1.液态金属充型能力的基本概念1.3.2液态金属停止流动机理及充型能力计算1.3.3.影响充型能力的因素1.3.1.液态金属充型能力的基本概念一.液态金属的充型能力二.液态金属的螺旋形流动性实验三.液态金属停止流动机理与充型能力一.液态金属的充型能力充型能力：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。充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。

流动性：液态合金本身的流动能力，称为流动性。与合金种类、结晶特点、粘度等有关。流动性好，充型能力强，可得到形状复杂、轮廓清晰的铸件，缺陷少，补缩效果好；流动性差，易于产生浇不足、冷隔。

铸铁与铸钢流动性比较铸铁流动性较好，铸钢较差铸铁：当C+Si=6.2%，砂型，1300℃，螺旋线长度1500mm

铸钢：当C=0.4%，砂型，1600℃，螺旋线长度100mm

液态金属的充型能力取决于：内因——金属本身的流动性外因——铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。

表1-4不同金属和不同铸造方法的铸件最小壁厚金属种类铸件最小壁厚（mm）砂型金属型熔模铸造壳型压铸灰铸铁3＞40.4-0.80.8-1.5--铸钢48-100.5-1.02.5--铝合金33-4----0.6-0.8二.液态金属的螺旋形流动性实验在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。

1.3.2液态金属停止流动机理及充型能力计算纯金属、共晶成分合金及窄结晶温度范围合金停止流动机理

(a)流动性试样纵剖面上的宏观组织(b)停止流动机理充型能力强1.液态金属停止流动机理（1）窄结晶温度范围合金（颈缩堵塞停止流动机理）

宽结晶温度范围合金停止流动机理示意图

(a)流动性试样纵剖面上的宏观组织(b)停止流动机理前端析出15～20％的固相量时，流动就停止。（2）宽结晶温度范围合金（端部堵塞停止流动机理）

假设用某成分液态金属浇注一水平棒形试样，在一定的浇注条件下，液态金属的充型能力以其流过的长度来表示：式中,υ－在静压头H作用下，液态金属在型腔中的平均流速；

t－液态金属自进入型腔到停止流动的时间t。2.液态金属充型能力的计算由流体力学原理知：式中H-液态金属的静压头；

μ-流量消耗系数。

充型过程的物理模型宽结晶温度范围的合金对于宽结晶温度范围的合金，其流动前端不断地与型壁冷的表面接触，当阻塞区的固相量达到某一临界值时，流动停止。在这种情况下可利用牛顿定律建立热平衡方程式。

为使问题简化，对过程作如下假设：①型腔与液态金属接触表面的温度在浇注过程中不变；②液态金属在型腔中以等速流动；③液流横断面上各点温度是均匀的；④热量只按垂直于型壁的方向传导，液流表面无热辐射，沿液流方向无对流。

流动时间t可由两个阶段的热平衡方程式求得：

①在时间内，金属液从初始温度降低到液相线温度；

②在时间内，金属液由液相线温度降至固相线温度间的凝固区，一方面温度继续降低，另一方面不断地结晶出固相。液流前端的固相量达到临界值，停止流动。第一阶段求解距液流端部Δx的dx元段，在dτ时间内通过表面积dA所散出的热量，等于该时间内液态金属温度下降dT放出的热量，热平衡方程式为：

因为充型过程的物理模型

故热平衡方程式可写成：当时，；当时，。将上式积分后得：充型过程的物理模型第二阶段求解金属液继续向前流动时开始析出固相，此时热平衡方程式为：式中，—合金在TL到Tk（停止流动温度）温度范围内的密度，近似地取

；

—合金在TL到Tk温度范围内的当量比热容，近似地取：

边界条件为：时，

；，

，对上式积分后得：液态金属总的流动时间，即

液态金属的充型能力

将对数项展开取第一项充型过程的物理模型并近似地以代替，将代入，并略去项，则

液态金属的充型能力：在有涂料的情况下，换热系数α可按下式计算：铸件-涂料层-铸型间的换热圆柱形试样，液态金属的充型能力的计算公式：

平板形试样：

无涂料时：纯金属和共晶成分合金由于液流末端之前的某处从型壁向中心生长的晶粒相接触，通道被堵塞而停止流动，所以，对于这类合金的流动时间t，可近似地认为试样从表面凝固至中心的时间，可根据热平衡方程式求出。1.3.3影响充型能力的因素1.金属性质方面的因素2.铸型性质方面的因素3.浇注条件方面的因素4.铸件结构方面的因素

1.金属性质方面的因素（1）化学成分纯金属和共晶合金在恒温下结晶，从表层逐渐向中心逐层凝固，凝固层表面比较光滑，对未凝固区的液态金属的流动阻力较小，充型能力好；在一定温度范围内结晶的固溶体合金，其结晶过程是在铸件截面上一定宽度区域内进行的，固液界面粗糙，流动阻力大，流动性差。纯金属、共晶成分合金，流动性好；亚共晶成分合金，流动性差；规律:当合金的凝固温度范围扩大时，流动性就差，相反流动性就变好。不同成分合金的流动性Fe-C合金的流动性亚共晶铸铁随碳含量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，越接近共晶成分，合金的流动性越好。（2）单位体积热含量（包括结晶潜热和过热热）结晶潜热（约占液态金属热含量的85%～90%）在金属过热温度较低时，结晶潜热对流动性起决定作用；在金属过热温度较高时，结晶潜热的作用则下降。另外，结晶潜热对不同合金流动性的影响也不同。

纯金属和共晶成分合金在固定温度下凝固，在一般浇注条件下，结晶潜热的作用能够集中发挥，是影响流动性的一个重要因素。相同过热度下：潜热流动性对于结晶温度范围较宽的合金，由于潜热放出15%～20％以后，晶粒就连成网络而停止流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。

（3）金属的比热容、密度和导热系数合金液的比热容、密度越大，导热系数越小,流动性越好。

（4）液态金属黏度和表面张力黏度液态金属的黏度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态有关。合金液的黏度，在充型过程前期（属紊流）对流动性的影响较小，而在充型过程后期凝固中（属层流）对流动性影响较大。表面张力对薄壁铸件、铸件的