液態(tài)金屬性質

液態(tài)金屬性質第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.1液態(tài)金屬基本理論

1.1.1液態(tài)金屬的性質液態(tài)金屬的結構

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數；

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)轉變的結晶過程，它決定著金屬材料的微觀組織特征。

??液相成型第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日固態(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)則的周期性重復排列的物質稱為晶體。單晶體在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體多晶體大多數金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日

在固體中原子被束縛在晶格結點上，其振動頻率約為1013

次/s。液態(tài)金屬？液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時一樣，均不能自由運動，圍繞著平衡結點位置進行振動

但振動的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬倍。液態(tài)金屬宏觀上呈正電性，具有良好導電、導熱和流動性。??液相結構？第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.物理性質變化體積只膨脹3～5％，即原子間距平均只增大1～1.5％熔化潛熱只占氣化潛熱的3～7％見表1

這就可以認為金屬由固態(tài)變成液態(tài)時，原子結合鍵只破壞一個很小的百分數，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，但具有相同的數量級。第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日表1幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日

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)金屬在結構上更象固態(tài)而不是汽態(tài)，原子之間仍然具有很高的結合能。第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日X射線衍射分析

圖1-1是由X射線衍射結果整理而得的原子密度分布曲線。

橫坐標r為觀測點至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對于三維空間，它相當于以所選原子為球心的一系列球體的半徑。

縱坐標表示當半徑增減一個單位長度時，球體（球殼）內原子個數的變化值，其中（r）稱為密度函數。第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日

固態(tài)金屬原子在某一平衡位置熱振動因此衍射結果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點陣常數）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值，與所選原子最近的球面上的峰值便是它的配位數。但對于液態(tài)金屬而言，原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于當金屬轉變?yōu)橐簯B(tài)時，液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬變的熱振動和熱運動的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒有固定的位置，而其峰值所對應的位置（r）只是表示衍射過程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日圖1-1700℃液態(tài)鋁中原子密度分布線第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日可見液態(tài)原子分布曲線是介于曲線與固態(tài)時的分布曲線（豎直線）之間作波浪形的變化。其第一峰值與固態(tài)時的衍射線（第一條垂線）極為接近，其配位數與固態(tài)時相當。第二峰值雖仍較明顯，但與固態(tài)時的峰值偏離增大，而且隨著r的增大，峰值與固態(tài)時的偏離也越來越大。當它與所選原子相距太遠的距離時,原子排列進入無序狀態(tài)。表明，液態(tài)金屬中的原子在幾個原子間距的近程范圍內，與其固態(tài)時的有序排列相近，只不過由于原子間距的增大和空穴的增多，原子配位數稍有變化。第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日液態(tài)金屬的結構特征液態(tài)金屬內存在近程有序的原子集團（圖1-2）。這種原子集團是不穩(wěn)定的，瞬時出現又瞬時消失。所以，液態(tài)金屬結構具有如下特點：

◆液態(tài)金屬是由游動的原子團構成。

◆液態(tài)金屬中的原子熱運動強烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息萬變，這種原子間能量的不均勻性，稱為能量起伏。

◆由于液態(tài)原子處于能量起伏之中，原子團是時聚時散，時大時小，此起彼伏的，稱為結構起伏。第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

4）對于多元素液態(tài)金屬而言，同一種元素在不同原子團中的分布量不同，也隨著原子的熱運動瞬息萬變，這種現象稱為成分起伏。

金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的凝團過程，實質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)）的轉變均屬于結晶過程。金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉變稱為一次結晶；金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉變稱為二次結晶。

第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日圖1-2液態(tài)金屬結構示意圖

第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.1.2粘度理論

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動。在層界面上的質點相對另一層界面上的質點作相對運動時，會產生摩擦阻力。當相距1cm的兩個平行液層間產生1cm/s的相對速度時，在界面1cm2面積上產生的摩擦力，稱為粘滯系數或粘度。粘度的單位是Pa·s。粘度的導數叫流體的流動性。

粘度的物理本質是原子間作相對運動時產生的阻力。

第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日

牛頓液體粘滯定律F(x)=dv/dy與面積無關F(x)=ηAdv/dyη—動力粘度系數（m2/N.S）μ=η/ρ運動粘度系數(m2/s)第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日

影響粘度的因素

溫度化學成分非金屬夾雜物粘度對材料成型的影響

影響液態(tài)金屬的流態(tài)影響液態(tài)金屬的對流影響液態(tài)金屬的凈化第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日

1.1.3表面和界面張力表面和界面張力是液態(tài)金屬的第二重要性質。

A、表面張力和表面能

表面張力：在液體表面內產生的平行于液體表面、且各向均等的張力，稱之為表面張力。

表面張力是氣/液界面現象，它的的大小與液相和氣相的性質有關。

產生張力的表面層厚度不超過10-7cm，相當于幾個原子(分子)液層厚度。第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日

表面張力：

使液體趨于球狀的力表面張力引起的附加壓力

p=2σ/r——球狀

p=(1/r1+1/r2)σ——任意形狀第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日由此可見，表面張力是表面S內垂直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。表面張力和表面能數值上相同，但量綱不同，如表面張力為10-1N/m，則表面能為10-1J/m2。

第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日由相關熱力學公式可得：

此式表明，表面張力就是單位面積上的自由能。式中負號表示由于產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。

第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日B、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？？表面張力與界面張力都是由于物體在表面或界面上的質點受力不平衡所引起的。

第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日

當固相表面有液相和氣相時，發(fā)生界面現象如圖1－8(a)所示。當液相與固相的接觸時，三個界面張力的平衡情況見圖1－8(b)所示。平衡時水平分量的平衡關系為：

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。

第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日圖1－8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

第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日影響表面張力的因素：

1.溫度

2.溶質：dσ/dc<0表面活性元素

dσ/dc>0非表面活性元素

液固界面現象

1.潤濕

2.不潤濕

3.楊氏方程：第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日稱為楊氏方程式，→→接觸角θ的值與各界面張力的相對值有關。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。2）σSG<σLS時，cosθ為負值，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