第2章液态金属的结构与性质

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1、2022-6-11/732022-6-12/732022-6-13/732022-6-14/732022-6-15/732022-6-16/732022-6-17/73相变化过程：相变化过程：液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件下相之间的转变过程。即：相变过程。下相之间的转变过程。即：相变过程。相平衡：相平衡：多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度多相系统中，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。相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。2022-6-18/73金属的凝固：金属的凝固：凝固：凝固：金属

2、由液态转变为固态的过程。（宏观）金属由液态转变为固态的过程。（宏观）结晶：结晶：从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。体状态的过程。 （微观）（微观）H2O 的压力温度相图2022-6-19/73固态原子在平衡位置振动固态原子在平衡位置振动振动频率加快，振幅增大振动频率加快，振幅增大达到新的平衡位置，晶格常数变化达到新的平衡位置，晶格常数变化超过原子激活能超过原子激活能原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴离位原子达到某一数值离位原子达到某一数值加热加热加热加热加热加热金属由固态转变为液态金属由固态转

3、变为液态体积膨胀体积膨胀约约3% 5% ，电阻、粘度发生变化，电阻、粘度发生变化温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸2022-6-110/73一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化2022-6-111/732022-6-112/73 横坐标为观测点至某横坐标为观测点至某一任意选定的原子（参一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系所选原子为球心的一系列列球体的半径球

4、体的半径。 纵坐标表示当半径增纵坐标表示当半径增加加 dr 长度时，球壳内原长度时，球壳内原子个数的变化值，其中子个数的变化值，其中 （r）称为）称为密度函数密度函数。1232022-6-113/73 对于实际液体的原子分布曲线，对于实际液体的原子分布曲线，其其第一峰值第一峰值与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（第一第一条垂线条垂线）极为）极为接近接近，其配位数与固态，其配位数与固态时相当。时相当。 第二峰值虽仍较明显，但与固第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且态时的峰值偏离增大，而且随着随着r的的增大，峰值与固态时的偏离也越来越增大，峰值与固态时的偏离也越来越大大。 当它与所选

5、原子相距较远的距当它与所选原子相距较远的距离时，原子排列进入无序状态。离时，原子排列进入无序状态。 表明：表明：液态金属中的原子在几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，原子配位间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。数稍有变化。1232022-6-114/732022-6-115/732022-6-116/732022-6-117/731200 1700 1550 1400 不同温度下液态金属结构示意图2022-6-118/732022-6-119/732

6、022-6-120/732022-6-121/732022-6-122/73液态合金有各种性质，与材料成形过程液态合金有各种性质，与材料成形过程关系特别密切的主要有两个性质：关系特别密切的主要有两个性质： 一、液态金属（合金）的一、液态金属（合金）的粘度粘度 二、液态金属（合金）的二、液态金属（合金）的表面张力表面张力2022-6-123/731、粘度的实质及影响因素粘度的实质及影响因素当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。物理意义：当速度梯度为物理意义：当速度梯度为1时时,相邻液层间单位面积上的内摩擦力相邻液层间单位面积上的内摩擦力; 作用于液体表面的应

7、力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度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。的比例系数。2022-6-124/73032e x pBBkTUtkT富林克尔动力学粘度表达式：2022-6-125/73可以看出，影响粘度的因素有：可以看出，影响粘度的因素有：a.结合能U. 粘度随结合能粘度随结合能U呈指数关系增加呈指数关系增加。液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高。液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高。粘度的本质：原子间的结合力。粘度的本质：原子间的结合力。b.原子间距. 粘度随原子间距增大而减小。粘度随原子间距增大而减小。 c.温度T

8、.总的趋势：总的趋势：随温度随温度T的升高而下降。的升高而下降。d.合金元素和夹杂物合金元素和夹杂物 表面及界面活性元素使液体粘度降低（抑制合金液冷却过程中原子团的表面及界面活性元素使液体粘度降低（抑制合金液冷却过程中原子团的聚集长大），非表面活性杂质的存在使粘度提高。聚集长大），非表面活性杂质的存在使粘度提高。 受两方面（正比的线性关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）共同制约。和负的指数关系）共同制约。液体的粘度与温度的关系）液态镍液体的粘度与温度的关系）液态镍 ；）液态钴；）液态钴虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果032expBBk TUt

9、k T2022-6-126/73e.e.化学成分化学成分粘度本质粘度本质原子间的结合力原子间的结合力（与熔点有共性）（与熔点有共性）状态图状态图难熔化合物的粘度较高（熔点难熔化合物的粘度较高（熔点高，结合力强），而熔点低的高，结合力强），而熔点低的共晶成分合金其粘度较低。共晶成分合金其粘度较低。2022-6-127/73粘度在金属铸造和焊接生产技术中均具有很重要的意义。为了说粘度在金属铸造和焊接生产技术中均具有很重要的意义。为了说明问题，先引入运动学粘度及雷诺数的概念。明问题，先引入运动学粘度及雷诺数的概念。/eeuuDDRe2022-6-128/73对液态金属净化的影响 夹杂和气泡上浮的动力