液态金属结构和性质

1、液态金属结构和性质第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

2、及晶体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

3、固体、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

4、势图1-4两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

5、体缺陷相对应，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

6、“能量起伏”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

7、粒子间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

8、”的进一步认识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

9、1.3.2液态金属的表面张力1.3.1液态金属的粘度1.液态金属的粘度及其影响因素2.粘度在材料成形中的意义1.液态金属的粘度及其影响因素1.液态金属的粘度及其影响因素图1-11外力作用于液体表面各原子层速度1.液态金属的粘度及其影响因素图1-12液体的粘度与温度的关(图中各曲线分别为不同研究者的实验结果，虚线为计算值，m.p.为熔点)a) 液态镍b)液态钴1.液态金属的粘度及其影响因素2.粘度在材料成形中的意义1.3.2液态金属的表面张力1.表面张力的实质及影响表面张力的因素2.表面张力在铸件成形过程中的意义1.表面张力的实质及影响表面张力的因素(1)表面张力(及界面张力)与原子间的结合力在

10、一定温度下，表面能主要由表面内能ub所决定，而表面内能取决于原子间结合力u0的大小。(2) 表面张力与价电子及原子体积的关系表面(和界面)张力的影响因素不仅仅只是原子间的结合力，与这种论点相反的例子大量存在。(3) 表面张力与温度的关系液态金属的表面张力通常随温度升高而下降，因为原子间距随温度升高而增大。(4) 合金元素及杂质元素对表面张力的影响合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响主要取决于原子间结合力的改变，向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能降低，从而使表面张力降低。(1)表面张力(及界面张力)与原子间的结合力(2) 表面张力与价电子及原子体积的关系图1-13润湿

11、角与界面张力(2) 表面张力与价电子及原子体积的关系图1-14金属表面双电层示意图(3) 表面张力与温度的关系(4) 合金元素及杂质元素对表面张力的影响表1-3液态金属在熔点T0处的表面张力0及温度系数K (4) 合金元素及杂质元素对表面张力的影响(4) 合金元素及杂质元素对表面张力的影响(4) 合金元素及杂质元素对表面张力的影响图1-17合金元素对铝液、镁液表面张力的影a)铝液b)镁液2.表面张力在铸件成形过程中的意义(1) 表面张力引起的曲面两侧压力差及其相关作用表面为平面时(曲率半径为无穷大)，其两侧的压力是相等的。(2) 液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响在凝固的后期，不同晶粒之

12、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。(1) 表面张力引起的曲面两侧压力差及其相关作用图1-18压力差与表面曲率、表面张力的关(2) 液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响图1-19液膜在单位面积拉应力作用下曲率半径及厚度的变化1.4液态金属的充型能力1.4.1液态金属充型能力的基本概念1.4.2液态金属的停止流动机理与充型能力1.4.3影响充型能力的因素1.4.1液态金属充型能力的基本概念表1-4不同金属和不同铸型条件的铸件最小壁1.4.1液态金属充型能力的基本概念图1-20螺旋形流动性试样结构示意1浇口杯2低坝3直浇道4螺旋

13、5高坝6溢流道7全压井1.4.2液态金属的停止流动机理与充型能力1.4.2液态金属的停止流动机理与充型能力1.4.2液态金属的停止流动机理与充型能力1.4.3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)结晶温度范围的影响合金的化学成分决定了结晶温度范围，因此，在合金成分与流动性之间存在一定的规律。(2)结晶潜热等热物理性质的影响从总体上看，结晶潜热的释放将延缓合金温度的下降速率，合金放出的结晶潜热越多，温度下降越慢，凝固过程进行得越慢，因而流动性越好。(3)金属其他因素的作用1)金属液粘度的影响。2)金

14、属液表面张力的影响。3)变质及孕育处理的影响。4)工艺条件对半固态金属浆料流动性的影响。(1)结晶温度范围的影响图1-23Fe-C合金流动性与成分的关(2)结晶潜热等热物理性质的影响图1-24二元合金流动性与成分的关系(金属型，给定浇注温度a)Al-Cu合金b)Al-Si合金c)Al-Mg合金(3)金属其他因素的作用图1-25SiC含量与形态对A356铝合金流动性的影(注：金属型；A356成分:=6.5%7.6%,=0.25%0.45%)(3)金属其他因素的作用表1-5Sr变质或P孕育对不同成分Al-Si合金流动性的影响(螺旋线长度(3)金属其他因素的作用图1-26旋转剪切速率对浆料粘度的影(

15、A357铝合金成分：=6.74%7.47%，=0.13%0.14%)(3)金属其他因素的作用图1-27半固态浆料(Al-7.13%Si)以不同速率搅拌后浇入砂型中的流动性结a) 浆料搅拌速率的作用(砂型静止不旋转，固相体积分数为50%)b) 液相体积分数及砂型旋转的影响(浆料搅拌速率为1000r/min)2. 铸型性质方面的因素表1-6几种铸型材料的蓄热系2. 铸型性质方面的因素图1-28铸型预热温度对铝及其合金充型能力的影响(铸铁型3.浇注条件方面的因素(1)浇注温度浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度越高，金属液内含热量越多，保持液态的时间越长，充型能力越强。(2)充型压力液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。(3)浇注系统直浇道、横浇道、内浇道的复杂程度等也会影响液态金属的充型能力，应正确设计浇注系统结构，横浇道