第一章

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第一節(jié)引言

第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)第四節(jié)液態(tài)金屬充型第一節(jié)引言液體的表觀特征可完全占據(jù)容器的空間并取得容器內(nèi)腔的形狀---類似于氣體，不同于固體液體最顯著的性質(zhì)：具有流動性，不能夠象固體那樣承受剪切應(yīng)力，表明液體的原子或分子之間的結(jié)合力沒有固體中強(qiáng)---類似于氣體，不同于固體。具有自由表面---類似于固體，不同于氣體液體可壓縮性很低---類似于固體，不同于氣體

一、液體的分類

按液體的構(gòu)成類型，可分為：原子液體（如液態(tài)金屬、液化惰性氣體）分子液體（如極性與非極性分子液體），離子液體（如各種簡單的及復(fù)雜的熔鹽）第一節(jié)固體金屬的加熱熔化

金屬和合金材料的加工制備過程？配料、熔化和凝固成型三個階段。

配料是確定具有某些元素的各金屬爐料的加入百分?jǐn)?shù)；

熔煉是把固態(tài)爐料熔化成具有確定成分的液態(tài)金屬；

凝固是金屬由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程，它決定著金屬材料的微觀組織特征。

??液相成型1.金屬中的原子結(jié)合

R→∞，F(xiàn)＝

0R＞R0

，F(xiàn)＜0（引力）→靠攏R＜R0

，F(xiàn)＞0（斥力）→分開R＝R0

，F(xiàn)＝0→平衡圖1-1膨脹原因？熱運(yùn)動2.金屬的加熱膨脹（圖1-2、1-3）升溫?zé)嵴駝蛹觿。珽轉(zhuǎn)化為勢能達(dá)新的平衡R1、R2、R3

（＞R0）平衡距離增加（膨脹）能量起伏升溫起伏加劇部分原子越過勢壘形成空穴空穴移動、增多膨脹原子間距增大和空穴的產(chǎn)生熔點(diǎn)附近晶界粘性流動接近熔點(diǎn)繼續(xù)吸熱（熔化潛熱）晶粒瓦解，形成此起彼伏的原子集團(tuán)，游離原子和空穴約3%—5%3.金屬的熔化從晶界開始晶粒相對滑動晶粒失去原有形狀晶粒瓦解，體積突然膨脹溫度不變，內(nèi)能增加第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)1.液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征2.熱物理性質(zhì)3.液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型4.實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)返回目錄固態(tài)金屬

按原子聚集形態(tài)分為晶體與非晶體。晶體凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)稱為晶體。單晶體：在晶體中所有原子排列位向相同者多晶體：大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點(diǎn)上，其振動頻率約為1013

次/s。1.液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及衍射特征液態(tài)金屬？

液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時一樣，均不能自由運(yùn)動，圍繞著平衡結(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行振動

但振動的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬倍。??液相結(jié)構(gòu)？

固體可以是非晶體也可以是晶體，而液態(tài)金屬則幾乎總是非晶體。

液態(tài)金屬在結(jié)構(gòu)上更象固態(tài)而不是汽態(tài)，原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。徑向分布函數(shù)表示在r+dr之間的球殼中原子數(shù)的多少

理想液體的原子平均密度分布曲線。固態(tài)鋁中原子分布的規(guī)律，原子位置固定，在平衡位置做熱運(yùn)動，故球殼上原子數(shù)顯示出是某一固定的數(shù)值，呈現(xiàn)一條條的直線X射線衍射分析返回目錄圖1-1700℃液態(tài)鋁中原子密度分布線

體積只膨脹3～5％，即原子間距平均只增大1～1.5％，見表1-1

熔化潛熱（△Hm）只占?xì)饣瘽摕幔ā鱄b

）的3～7％見表1-2

這就可以認(rèn)為金屬由固態(tài)變成液態(tài)時，原子結(jié)合鍵只破壞一個很小的百分?jǐn)?shù)，只不過它的熔化熵相對于固態(tài)時的熵值有較多的增加，表明液態(tài)中原子熱運(yùn)動的混亂程度，與固態(tài)相比有所增大。比熱容，與固態(tài)相比雖然稍大一些，但具有相同的數(shù)量級。2.熱物理性質(zhì)（表1-1、1-2）返回目錄表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱3.實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬內(nèi)存在近程有序的原子集團(tuán)。所以，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

l）液態(tài)金屬是由游動的原子團(tuán)構(gòu)成。2）能量起伏。3）結(jié)構(gòu)起伏。4）濃度起伏（或成分起伏）。

金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶；金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶。

金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝團(tuán)過程，實(shí)質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程，從這個意義上理解，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬于結(jié)晶過程。返回目錄圖1-2液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)返回目錄第三節(jié)液態(tài)合金的性質(zhì)1.液態(tài)合金的粘度當(dāng)相距1cm的兩個平行液層間產(chǎn)生1cm/s的相對速度時，在界面1cm2面積上產(chǎn)生的摩擦力單位：Pa·s。液態(tài)金屬是有粘性的流體。流體在層流流動狀態(tài)下，流體中的所有液層按平行方向運(yùn)動。在層界面上的質(zhì)點(diǎn)相對另一層界面上的質(zhì)點(diǎn)作相對運(yùn)動時，會產(chǎn)生摩擦阻力。①粘度系數(shù)或粘度，表達(dá)式：1）液態(tài)合金的粘度及其影響因素②粘度的物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力大小與垂直于該平面方向上的速度梯度的比例系數(shù)②粘度的影響因素富林克爾表達(dá)式：τ0：原子在平衡位置的振動周期（對液態(tài)金屬約為10－13s）kB：Bolzmann常數(shù)U：無外力時原子之間的結(jié)合能或原子擴(kuò)散勢壘δ：相鄰原子平衡位置的平均距離T：熱力學(xué)溫度可以看出，影響粘度的因素有：a.結(jié)合能U.

粘度隨結(jié)合能U呈指數(shù)關(guān)系增加。液體的原子之間結(jié)合力越大，則內(nèi)摩擦阻力越大，粘度就越高粘度的本質(zhì)：原子間的結(jié)合力b.原子間距δ.粘度隨原子間距增大而減小。

c.溫度T.由上式可以得知，函數(shù)eU/KT隨溫度升高而降低。而2τ0KT/δ3項(xiàng)則與溫度呈直線關(guān)系。因此，當(dāng)溫度不太高時，指數(shù)項(xiàng)eU/KT隨溫度增高而急劇變化，因而使粘度下降(反比)。但是當(dāng)溫度很高時，指數(shù)項(xiàng)eU/KT趨近于1。這時隨溫度增高，粘度值呈直線增加（正比）。（顯然，這種情況已是接近氣態(tài)了。）總的趨勢：隨溫度T的升高而下降d.合金元素和夾雜物表面活性元素使液體粘度降低，非表面活性元素使粘度提高2）粘度在材料成形中的意義

返回目錄運(yùn)動粘度:適用于較大外力作用下的水力學(xué)流動。如澆鑄系統(tǒng)的計算動力粘度除以密度運(yùn)動粘度:動力粘度:適用于外力作用非常小的情況下。如夾雜的上浮和凝固補(bǔ)縮①對液態(tài)金屬凈化的影響（即除去夾雜和氣泡）2）粘度在材料成形中的意義①對液態(tài)金屬凈化的影響（即除去夾雜和氣泡）

夾雜和氣泡上浮的動力即二者重量之差在最初很短的時間內(nèi)以加速度進(jìn)行運(yùn)動，往后便開始勻速運(yùn)動根據(jù)stocks原理，半徑為0.1cm以下的球形雜質(zhì)的阻力Pc為：r為球形雜質(zhì)半徑，v為運(yùn)動速度雜質(zhì)勻速運(yùn)動時，Pc＝P，故可見，夾雜和氣泡上浮的速度v與液體的粘度成反比2）粘度在材料成形中的意義①對液態(tài)金屬凈化的影響

返回目錄②對液態(tài)合金流動阻力的影響層流？紊流？雷諾數(shù)！Re＝Dvρ/η(>2300層流，<2300紊流)所以，層流時阻力大。在金屬澆鑄系統(tǒng)和型腔中的流動一般為紊流，但在充型的后期或狹窄的補(bǔ)縮流和細(xì)壁鑄件中，則呈現(xiàn)為紊流。總之，液態(tài)合金的粘度大其流動阻力大。f為流體流動時的阻力系數(shù)2）粘度在材料成形中的意義①對液態(tài)金屬凈化的影響②對液態(tài)合金流動阻力的影響

返回目錄2）粘度在材料成形中的意義①對液態(tài)金屬凈化的影響②對液態(tài)合金流動阻力的影響③對焊縫金屬合金化的影響④對凝固過程中液態(tài)合金對流的影響

返回目錄表面張力是氣/液界面現(xiàn)象，它的大小與液相和氣相的性質(zhì)有關(guān)三、液態(tài)合金的性質(zhì)2.液態(tài)合金的表面張力A、表面張力的實(shí)質(zhì)及影響因素表面張力：液體表面內(nèi)產(chǎn)生的平行于表面切線方向且各向大小均等的張力。產(chǎn)生張力的表面層厚度不超過10-7cm，相當(dāng)于幾個原子(分子)液層厚度。表面液體或固體同空氣或真空接觸的面表面現(xiàn)象？露珠產(chǎn)生原因？原子或分子處于力的平衡狀態(tài)受力不均，指向內(nèi)部的合力這種受力不均引起表面原子的勢能比內(nèi)部原子的勢能高，所以物體傾向于減小表面積

由于液體表面層內(nèi)質(zhì)點(diǎn)受到不平衡力場的作用，導(dǎo)致表面繃緊或彎曲，使表面內(nèi)產(chǎn)生了多余的表面能。如圖所示，設(shè)表面S在繃緊力F的作用下，拉長了dx距離

進(jìn)一步可得表面能：產(chǎn)生新的單位面積表面時系統(tǒng)自由能的增量則外力所做的功為：表面張力和表面能雖然是不同的概念，但符號相同，大小一樣，單位也可以互換（如表面張力為10-1N/m，則表面能為10-1J/m2）

，是從不同角度描述同一表面現(xiàn)象。

由此可見，表面張力是表面S內(nèi)垂直F方向的單位長度上的拉緊力；也是增加單位表面積dA外力所做的可逆功，稱之為表面能。

此式表明，表面張力就是單位面積上的自由能。式中負(fù)號表示由于產(chǎn)生了新的單位面積的表面，而使系統(tǒng)的自由能增加，增加值等于外力對單位表面所作的功。

由相關(guān)熱力學(xué)公式可得：表面張力與界面張力都是由于物體在表面或界面上的質(zhì)點(diǎn)受力不平衡所引起的。

界面張力和界面能界面張力和界面自由能與表面張力和表面自由能相似。界面與表面的差別：界面泛指兩相之間的交界面

表面專指液體或固體與氣體之間的界面，確切的說，是指液體或固體在真空下的表面。引起表面張力與界面張力的原因（實(shí)質(zhì)）？？設(shè)相和相均是截面積為1cm2，長2cm的長方體。在相和相中點(diǎn)各作一垂直截面將其等分，分別新增2個面積為1cm2的相表面和2個面積為1cm2的相表面。

由和兩相形成-界面過程如圖所示。-界面形成過程示意圖

為此，外力所需作的正功分別為W-和W-。如果用表示相的表面能，表示相的表面能，則有：W-=2，W-=2

然后，把和結(jié)合成兩個具有-界面整體，這時所需作的負(fù)功為-2W-。因此，為形成2個-界面所作的凈功Ws為：-界面形成過程示意圖

由此可見，形成-界面所作的功W-越大，則界面能就越小。這也就是說，兩相間結(jié)合力越大，則界面能越小。

形成一個-界面所作的凈功Ws，在數(shù)值上等于-界面的界面能-，即：

由于W-=2，W-=2，代入上式，則：式中SG—固相/氣相界面張力；LS—液相/固相界面張力；LG—液相/氣象界面張力。

當(dāng)固相表面有液相和氣相時，發(fā)生界面現(xiàn)象如圖(a)所示。潤濕角θ：衡量界面張力的標(biāo)志平衡時水平分量的平衡關(guān)系為：同時與固相和氣相接觸的球冠形液相的

界面張力的平衡情況

當(dāng)液相與固相接觸時，三個界面張力的平衡情況見(b)所示。2）σSG<σLS時，cosθ為負(fù)值，即θ>90°，液體傾向于形成球狀，稱為液體不能潤濕固體。θ=180°為完全不潤濕。所以θ角又稱為潤濕角。1）σSG>σLS時，cosθ為正值，即θ<90°稱為液體能潤濕固體。θ=0°時，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱為完全潤濕。公式得:即楊氏方程式，接觸角θ的值與各界面張力的相對值有關(guān)。影響界面張力的因素

影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素熔點(diǎn)溫度原子間的結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，則表面張力往往就大。常用的幾種金屬的表面張力與熔點(diǎn)的關(guān)系如表所示界面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力表面張力與溫度的定量關(guān)系表達(dá)式：V：摩爾體積，T熱力學(xué)溫度，Tc為液—?dú)馀R界點(diǎn)溫度，kγ為溫度系數(shù)可知：表面張力隨溫度升高而下降影響界面張力的因素

溶質(zhì)元素影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類使表面張力降低的活質(zhì)元素叫表面活性元素，“活性”之義為表面濃度大于內(nèi)部濃度，也稱正吸附元素提高表面張力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負(fù)吸附元素。影響界面張力的因素

溶質(zhì)元素弗倫克爾提出了金屬表面張力的雙層電子理論。認(rèn)為是正負(fù)電于構(gòu)成的雙電層產(chǎn)生—個勢壘，正負(fù)離子之間的作用力構(gòu)成了對表面的壓力，有縮小表面面積的傾向表面張力數(shù)學(xué)表達(dá)式為表明：表面張力σ與原子體積δ3成反比，與價電子數(shù)Z及電荷的平方成正比，即金屬原子體積愈大，表面張力愈小。Gibbs表面吸附方程實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):

液態(tài)金屬中溶解溶質(zhì)(包括夾雜物)，會改變液態(tài)金屬的表面張力和熔體/晶體的界面張力。

影響界面張力的因素

有些溶解夾雜物會使表面張力增大，有些溶解夾雜物會使表面張力減小。兩類溶質(zhì)：A.使液態(tài)金屬表面張力降低

→溶質(zhì)對該金屬稱為液態(tài)金屬的表面活性物質(zhì)→具有正吸附作用→即溶質(zhì)在表面之濃度大于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度；B.使液態(tài)金屬表面張力增加

→溶質(zhì)對該金屬稱為液態(tài)金屬的表面非活性物質(zhì)→具有負(fù)吸附作用→即溶質(zhì)在表面之濃度小于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度。所謂活性和非活性物質(zhì)必須是指某種溶質(zhì)對某種金屬而言。按照常規(guī)的理解，當(dāng)在A溶劑中加入溶質(zhì)B后，溶質(zhì)B在溶劑A中各部分的濃度應(yīng)該均等。但試驗(yàn)表明，在多數(shù)情況下，溶液表層的溶質(zhì)濃度并不等于溶液內(nèi)部的濃度，有下列三種情況：

(1)CB表面>CB內(nèi)部正吸附現(xiàn)象；

(2)CB表面<CB內(nèi)部負(fù)吸附現(xiàn)象；

(3)CB表面=CB內(nèi)部無吸附現(xiàn)象。WHY?加入某些溶質(zhì)之所以能改變金屬的表面張力，是因?yàn)榧尤肴苜|(zhì)后改變了溶液表面層質(zhì)點(diǎn)的力場不對稱性程度。

熱力學(xué)上，系統(tǒng)總是向減少自由能方向進(jìn)行液體表面的自由能總是趨向最小。如果加入溶質(zhì)B降低了溶劑A的表面張力，則表面層就會吸收更多的溶質(zhì)原子形成正吸附現(xiàn)象?！砻婊钚晕镔|(zhì)→跑向表面反之，如果加入溶質(zhì)B后，增加了溶劑的表面張力，則表面層就會排斥溶質(zhì)原子B，而形成負(fù)吸附現(xiàn)象?！砻娣腔钚晕镔|(zhì)→跑向內(nèi)部如果加入溶質(zhì)B后，并不改變?nèi)輨┑谋砻鎻埩?，則不形成吸附現(xiàn)象，整個溶液濃度是均勻的。

吉布斯溶液表面的吸附公式，通常寫成：表明了溶質(zhì)對某液相的活性和和非活性的程度指恒溫時，表面（界面）張力隨表面濃度的變化率，稱為表面活性。時，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力降低時，表明隨著溶質(zhì)濃度增加，溶液的界面張力降低時，即界面溶質(zhì)濃度變化量，此時無吸附現(xiàn)象發(fā)生。還可以看出，吸附量與表面活性和溶質(zhì)濃度（C）成正比，與絕對溫度（T）成反比。

因此，升高溫度，會使表面吸附的溶質(zhì)量減少。

彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力

用一根玻璃管吹一個肥皂泡，若將管口堵住→肥皂泡可以長時間存在若不堵住管口→肥皂泡將會不斷縮小，很快聚成一個液滴。WHY?○現(xiàn)象說明，只要液面不是平的，則其內(nèi)外壓力不同?！鹨?yàn)闅馀菔且粋€彎曲液面，液體的表面張力迫使液面向內(nèi)收縮，產(chǎn)生一種額外的壓力，這個額外的壓力叫做附加壓力。要使氣泡穩(wěn)定，氣泡內(nèi)除了要有壓力對抗大氣壓外，還必須有一個大小相等的壓力和附加壓力抗衡，所以氣泡內(nèi)的壓力必須大于外壓。附加壓力的大小和液面的曲率半徑有關(guān)B.表面張力在材料成形中的應(yīng)用1.表面張力引起的曲面兩側(cè)壓力差及相關(guān)作用拉普拉斯—揚(yáng)方程式

當(dāng)曲面是球面一部分時，r1=r2，則得到附加壓力與曲率半徑的關(guān)系式

表明:

→半徑越小，附加壓力越大，

→凸面液體（如液珠）r0，附加壓力Δp為正；

→凹面液體（如液體中的氣泡）r0，附加壓力Δp為負(fù)；

→平面液體r=∞，附加壓力Δp=0。返回目錄液態(tài)金屬充填鑄型

1.4斯托克斯（Stokes）公式

被卷入液態(tài)金屬中雜質(zhì)，密度與液態(tài)金屬不同，HOW?

上浮至表面下沉到底部。

一般雜質(zhì)密度均小于液態(tài)金屬，在大多數(shù)情況下要上浮至液態(tài)金屬的表面。

液態(tài)金屬中雜質(zhì)的上浮或下沉速度，由?力來決定雜質(zhì)所受液體的斥力雜質(zhì)的運(yùn)動阻力。