第1章液态金属的结构与性质
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1、铸件成形原理第1章液态金属的结构与性质1.1引言1.2液态金属的结构1.3液态金属的性质1.4液态金属的充型能力1.1引言液态金属的结构和性质直接影响其熔炼和凝固过程，具体表现在以下几个方面：1)铸造合金在精炼时去除有害杂质和气体的效果除了受热力学因素影响外，还受到反应物和生成物在金属熔体及渣相中的扩散速度的影响。2)熔炼过程中熔渣的工艺性，如覆盖性(影响对合金液的保护能力)、成形性、分离性(影响扒渣、脱渣的难易程度)等，与熔渣-金属液之间的界面张力、渣液自身的表面张力、熔渣的粘度、熔渣-金属的熔点之差等因素相关。3)探索凝固的微观机制需要人们深入地了解熔体的结构信息。4)凝固过程的形核及晶体
2、生长的热力学与液体的结构和界面张力、潜热等性质有关。1.1引言5)成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式受液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质共同控制。6)性能优异的非晶、微晶、纳米晶材料的凝固以及各种低维功能晶体的液相生长，也受到与传热及(或)传质相关的液相性质和微观结构的制约。7)特种条件下(如电磁场、高压、微重力、超重力等物理场下)的现代凝固技术均需考虑液体的相关物理性质。8)重力浇注及压力充型铸件的外部轮廓和尺寸精度及内部缩孔和缩松的控制，与合金熔体的粘度、表面张力、界面张力、熔点、热容、结晶潜热、热导率等性质密切相关。1.2液态金属的结构1.2.1液体与固体、
3、气体的结构比较及衍射特征1.2.2由物质熔化过程认识液体结构1.2.3液态金属结构的理论模型1.2.4实际金属的液态结构1.2.5对液态结构的再认识及研究新进展1.2.1液体与固体、气体的结构比较及衍射特征图1-1气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特1.2.1液体与固体、气体的结构比较及衍射特征图1-2在稍高于熔点温度液态碱金属(Li、 Na、 K、 Rb、 Cs)的径向分布函数(RDF1.2.1液体与固体、气体的结构比较及衍射特征图1-3液体配位数的求1.2.2由物质熔化过程认识液体结构1.原子间作用力及作用势2.金属的加热膨胀3.空穴的产生4.金属的熔化1.原子间作用力及作用势图1
4、-4两个原子间的相互作用力及相互作用势能2.金属的加热膨胀图1-5加热时原子间距的变化3.空穴的产生图1-6空穴的产生4.金属的熔化4.金属的熔化表1-1几种晶体物质在熔化过程中的体积变化(Vm/V)及熵变（Sm）4.金属的熔化表1-1几种晶体物质在熔化过程中的体积变化(Vm/V)及熵变（Sm）1.2.3液态金属结构的理论模型1.晶体缺陷模型2.无规密堆硬球模型(RCP：Random Close PackingBernal多面体) 3.液态金属结构的综合模型4.液体结构及粒子间相互作用的理论描述液体与固体金属的这些相似性激发人们在早期研究中发展了液体结构的各种缺陷模型，它们几乎与每一种晶体缺陷
5、相对应，如微晶模型、空穴模型和位错模型等。这些模型及其相应的理论在解释液体的性质和一些特有的现象方面均取得了一定的效果。然而，这些模型的致命弱点就是其理论基础均来源于在液体中根本不存在的长程有序，因此都具有各自的局限性，特别是在热力学参数的估算方面存在着严重的不足。1.晶体缺陷模型2.无规密堆硬球模型图1-7无规密堆结构中的五种多面体间a) 四面体b)八面体c) 四方十二面体d)三角棱柱多面体e) 阿基米德反棱柱多面体3.液态金属结构的综合模型综合模型认为，由于液态金属中的原子频繁移位和热振动所引起的能量交换，使不同原子的能量有高有低，同一原子的能量也随时间和空间的变化而时高时低，即存在“能量
6、起伏”现象。另一方面，液态金属是由大量不停“游动”着的原子团簇组成的，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。由于“能量起伏”，这些原子团簇不断地分化组合，一部分金属原子(离子)从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随时间和空间发生着改变，这种现象称为“结构起伏”。虽然有“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，在特定的温度下，其团簇的统计平均尺寸是一定的。然而，原子团簇的平均尺寸随温度变化而变化，温度越高，原子团簇的平均尺寸越小。 4.液体结构及粒子间
7、相互作用的理论描述图1-8描述液体结构与粒子间相互作用关系的几种理论模型4.液体结构及粒子间相互作用的理论描述1.2.4实际金属的液态结构实际金属的情况比上述现象还要复杂，因为：工业应用的金属主要是多元合金；在原材料中存在多种多样的杂质，有些杂质的化学分析值虽然不高，甚至低于10-4量级，但其原子数仍是惊人的；在熔炼过程中，金属与炉气、熔剂、炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液质点。因此，实际金属的液态结构非常复杂，还存在着游动原子团簇、空穴以及能量起伏，在原子团簇和空穴中溶有各种各样的合金元素及杂质元素。1.2.5对液态结构的再认识及研究新进展1.对液体结构“短程有序”的进
8、一步认识2.液-液结构转变新发现及启示1.对液体结构“短程有序”的进一步认识图1-9液体金属球状密排结构及层状结1.对液体结构“短程有序”的进一步认识图1-10液体中由12个原子构成的二十面体结构及其分解的三个正交矩形平2.液-液结构转变新发现及启示(1)压力诱导液-液结构转变的发现近年来，人们发现液态Ga、Cs、Se、I、Bi、Te等元素以及石墨熔体的某些物理性质随着压力变化出现异常变化，提示其间发生压力诱导非连续液-液结构转变的可能性。(2)温度诱导液-液结构转变的发现上述压力诱导液-液结构转变均发生在高压或深过冷条件下，且均为单组元液体。1.3液态金属的性质1.3.1液态金属的粘度1.3
