液态金属的结构与性质

液态金属的结构与性质第1页，课件共63页，创作于2023年2月第一章

液态金属的结构与性质授课：刘洪喜第2页，课件共63页，创作于2023年2月第一节液体概念的引入一、液体类型（按液体结构和内部作用力分）

原子液体；分子液体；离子液体

二、液体的特征、结构和性质

最显著特征：流动性

*结构特征：“远程无序”而“近程有序”第3页，课件共63页，创作于2023年2月物理性质：密度，粘度，导电率，热导率，扩散系数物化性质：等压热容，等容热容，熔化和气化潜热，结晶潜热，表面张力，界面张力热力学性质：蒸汽压，膨胀和压缩系数*三、液态金属结构的研究方法间接方法：即通过固-液、固-气转变后一些物理性质的变化判断液态原子的结合状况直接方法：X射线衍射分析研究液态金属原子排列状况第4页，课件共63页，创作于2023年2月*四、液体与固体、气体的比较第5页，课件共63页，创作于2023年2月第二节液体金属的结构一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征二、由物质熔化过程认识液态金属的结构三、实际金属的液态结构

四、液态金属结构的理论模型五、对液态金属结构的再认识及研究新进展

了解第6页，课件共63页，创作于2023年2月（一）液态与固态、气体结构比较晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）气体——分子和原子无规则运动，分子平均间距比其尺寸大得多，空间分布上表现为完全无序液体——相对于晶体而言，液体原子在宏观上不具备平移对称性（远程无序），相对于气体，表现为近程有序一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征第7页，课件共63页，创作于2023年2月图气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征（二）液态与固态、气体的衍射特征第8页，课件共63页，创作于2023年2月举例：液态和固态Au的X射线衍射图像1、液态Au的X射线衍射图像显示出一慢射的衍射环，表明在液态Au中存在一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射2、固态Au的X射线衍射图像为分布规则的亮斑（点），显示出了与特定晶面反射相一致的衍射斑，原子排列较规则第9页，课件共63页，创作于2023年2月（三）液态金属的径向分布函数偶分布函数g(r)的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρ0（=N/V）的相对偏差1、当r（距离参考原子的距离）小于原子的半径，由于原子斥力，2、当r（距离参考原子的距离）较大时，相当于非晶态3、也就是说，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态相似，而在远距离范围内就缺乏有序排列了○第10页，课件共63页，创作于2023年2月径向分布函数（RDF）上式表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。图中带点的红色曲线为稍高于熔点时（白色）各种液态碱金属的径向分布函数变化平均原子间距r：对液态，对应于RDF第一峰的位置，r=r1表示参考原子至其周围第一配层各原子的平均原子间距第11页，课件共63页，创作于2023年2月配位数N1：RDF第一峰之下的积分面积液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的结构参数N1

表示参考原子周围最近邻(第一壳层)原子数（如图）

r1

表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距

图液体配位数N1的求法第12页，课件共63页，创作于2023年2月二、由物质熔化过程认识液态金属结构物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（具体见书中的表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为3%~7%。表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体金属内原子的局部分布仍有一定规律。即固态向液态转变时，原子的结合键破坏有限，液态和固态的结构是相似的第13页，课件共63页，创作于2023年2月熔化潜热——指当物质加热到熔点后，从固态变为液态或由液态变为固态时吸收或放出的热量结晶潜热——在温度保持不变的情况下，单位质量的物质从液态转变到固态时所释放出的热量气化潜热——常压下，单位质量的物质在一定温度下由液态转换成气态所需的热量汽化潜热——即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。汽化分两种，蒸发和沸腾。两者都吸热，蒸发只在液体表面，而沸腾是液体的内部和表面同时进行的第14页，课件共63页，创作于2023年2月第15页，课件共63页，创作于2023年2月三、实际金属的液态结构

理想纯金属液态结构

能量起伏和结构起伏实际纯金属液态结构

存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶质或化合物）不同的杂质原子金属（二元合金）液态结构

存在第二组元时，表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏实际金属（多元合金）液态结构

相当复杂，存在着大量时聚时散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替第16页，课件共63页，创作于2023年2月能量起伏

指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象结构起伏

指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能量起伏”，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，这样此起彼伏，不断发生着涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象浓度起伏指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起而把别的原子排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象第17页，课件共63页，创作于2023年2月四、液态金属结构的理论模型（自学）（一）无规密堆硬球模型——RCP

模型特征

以无规堆积的硬球来描述液体结构。在无规密堆铁球表面灌以油漆，固化后球与球相邻处留下漆斑，籍以构建以球中心为各个节点的间隙多面体，并统计配位数分布及平均值。液体结构中存在五种间隙多面体模型

四面体73%八面体20%三角棱柱多面体3%四方十二面体3%阿基米德反棱柱多面体1%

第18页，课件共63页，创作于2023年2月（二）液态金属结构的晶体缺陷模型

1、微晶模型

液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微晶体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释2、空穴模型晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴，从而使液态金属微观结构失去了长程有序性。大量孔穴的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小第19页，课件共63页，创作于2023年2月3、位错模型

液态金属可看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错）的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。高位错密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性，同时使液态金属在外力的作用下具有流动性，对粘滞系数、原子扩散系数和晶体的生长等也能进行较好的解释4、综合模型

在液态金属中由于热运动的存在，不同的部位有着不同的运动方式，因此处于不同部位的原子受到力的方式大小也不相同，产生的缺陷也就不单一了，这样也就形成了多种缺陷模型的综合现象

五、对液态金属结构的再认识及研究新进展（了解）第20页，课件共63页，创作于2023年2月第三节液体合金的性质一、液态合金的粘度二、液态合金的表面张力

第21页，课件共63页，创作于2023年2月一、液态合金的粘度（一）液态合金的粘度及其影响因素1、粘度：又称粘度系数。液体在流动时，在其分子间产生内摩擦的性质，称为液体的粘性。粘性大小用粘度来表示。是用来表征与液体性质相关的阻力因子。依牛顿提出的关系式来定义：第22页，课件共63页，创作于2023年2月3、粘度的量纲及单位：量纲为M·L-1·T-1；常用单位Pa·S或mPa·S。工业上动力粘度单位用Pa来表示，即1克/厘米·秒=1Pa4、粘度的影响因素1）通常液体粘度表达式式中：KB

——Bolzmann常数

U——无外力作用时原子之间的结合能（或原子扩散势垒）T——热力学温度常数

τ0——原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13

秒）

δ——液体各原子层之间的间距2、粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。是液体内摩擦阻力大小的表征第23页，课件共63页，创作于2023年2月2）液体粘度的影响因素（2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比（3）η

与温度T

的关系：受两方面（正线性关系和负指数关系）共同制约，但总的趋势随温度T

而下降（见下图）（1）液体粘度η随原子间结合能U按指数关系增加：这可理解为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距随之而增大，因此η

会随之下降第24页，课件共63页，创作于2023年2月（4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响（M-H模型）图液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍；ｂ）液态钴虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果第25页，课件共63页，创作于2023年2月M-H模型：η1——纯溶剂的粘度；η2——溶质的粘度；X1、X2

分别为纯溶剂和溶质在溶液中的摩尔分数，R

为气体常数，Hm为两组元的混合热如果混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（Hm

为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键通常，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第26页，课件共63页，创作于2023年2月（二）粘度在材料成形中的意义1)适用于较大外力作用下的水力学流动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略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2)当采用了运动学粘度系数之后，ν金和ν水两者近乎一致。故在铸件浇注系统的设计计算时，完全可以按水力学原理来考虑运动学粘度：动力学粘度除以密度，即第27页，课件共63页，创作于2023年2月动力学粘度：在外力作用非常小的情况下适用。如夹杂上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数有关雷诺数：根据流体力学，当雷诺数Re＞2300时为紊流；Re

＜

2300时为层流。对于圆形管道设f为流动阻力系数，则第28页，课件共63页，创作于2023年2月1、粘度对铸件轮廓清晰程度有很大的影响：在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。此时，为提高铸件轮廓清晰度，可降低液体粘度，通过适当提高过热度或者加入表面活性物质等来实现2、影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向：由于凝固收缩形成压力差而造成的自然对流均属于层流性质，此时粘度对流动的影响就会直接影响到铸件的质量3、影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：各种精炼工艺，希望尽可能彻底脱去金属液中的非金属夹杂物（如各种氧化物及硫化物等）和气体。无论是铸件型腔中还是焊接熔池中的金属液，残留的（或二次形成的）夹杂物和气泡都应在金属完全凝固前排出去，否则就形成了夹杂或气孔，破坏金属的连续性。而夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比第29页，课件共63页，创作于2023年2月

可见，粘度η

较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，会影响精炼效果；在铸件及焊缝凝固过程中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔4、影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧：在铸造合金熔炼及焊接过程中，冶金反应均在金属液与熔渣的界面进行，金属液中杂质元素及熔渣中反应物要不断向界面扩散，同时界面上的反应产物也需离开界面向熔渣内扩散。这些反应过程的动力学受到反应物及生成物在金属液和熔渣中的扩散速度的影响，而金属液和熔渣中的动力学粘度η

低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素第30页，课件共63页，创作于2023年2月5、对焊缝合金过渡的影响

在焊缝金属的合金化方法中，通过含有合金元素的焊剂、药皮或药芯进行合金过渡是较为常用的方法，这类方法的合金过渡主要是在金属液与熔渣的界面上进行的。可见，熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡有利6、对缩孔、缩松、晶粒大小和偏析的影响

在铸件凝固过程中，由于金属液的体积收缩容易形成缩孔或缩松，此时依靠冒口中液体静压头进行补缩，补缩距离与合金液η的平方根成反比，即η愈大，铸件内部缩孔或缩松倾向增大。另外，η大时，将使凝固过程中对流困难而造成晶粒粗化；影响凝固界面前端的低熔点物质向后扩散而导致区域偏析第31页，课件共63页，创作于2023年2月二液态合金的表面张力（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素1、表面张力（Surfacetension）单位：

表面张力的单位在SI制中为牛顿/米（N/m），但仍常用单位是达因/厘米（dyn/cm）。1dyn/cm=1mN/m=1mJ/m2表面层：在液体与气体交界面，厚度相当于分子有效作用半径R的一层液体。习惯上人们仅将气-液，气-固界面称为表面。多相体系中不同相之间存在着界面表面张力：平行于表面切线且各方向大小相等的宏观张力。或者说促使液体表面收缩的力。表面张力使液面尽可能收缩成最小第32页，课件共63页，创作于2023年2月对表面张力的理解：①表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。②表面张力是分子力的一种表现。发生在液体和气体接触时的边界部分表面张力系数：表面张力常用表面张力系数表示。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关

自然界表面张力现象：比如，露水总是尽可能呈球型；某些昆虫则利用表面张力漂浮在水面上（如水黾）；硬币浮于水面等第33页，课件共63页，创作于2023年2月2、表面自由能与表面张力的关系表面自由能（表面能，Surfaceenergy）：为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可互换，通常表面张力的单位为力/距离（如N/m、dyn/cm），表面能的单位为能量/面积（如J/m2、erg/cm2

等）表面与界面：表面与界面的差别在于后者是泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。界面张力与界面能的关系相当于表面张力和表面能的关系。广义上液体或固体与气体之间的界面能和界面张力分别为其表面能和表面张力第34页，课件共63页，创作于2023年2月表面自由能与表面张力的异同不同点：物理概念和意义不同，从不同角度描述同一表面现象。

①表面自由能表示形成单位新表面使体系自由能的增加，其单位为能量/面积（如J/m2、erg/cm2

等）②表面张力通常指纯物质的表面层分子间实际存在着的（收缩）张力，其单位为力/距离（如N/m、dyn/cm）相同点：通常可以用同一符号来表示表面自由能或表面张力。两者量纲相同，数值相等。在分析处理具体问题时，可根据需要选择理解表面自由能和表面张力。在用热力学方法处理表面时，可用表面自由能表示；在作表面相分子的受力分析时，可用表面张力表示第35页，课件共63页，创作于2023年2月3、影响表面张力的因素1）原子间的结合力物体内部原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑

原子间结合力大的物质，其熔点和沸点高，固体和液体的表面能和表面张力也大。一般金属的表面张力较非金属和盐大

对晶体而言，表面自由能与晶面有关，若晶体表面为密排晶面（低指数晶面），由于密排表面原子配位数与晶体内部的差值较小，表面内能小，故其表面能也小。若晶体表面为高指数晶面，其表面内能大，表面能亦大。基于上述原因，晶体为维持其最稳定状态，其表面往往为低指数（密排）晶面第36页，课件共63页，创作于2023年2月表面张力与润湿角的关系两种物质接触，润湿或不润湿的关键取决于两种物质间的亲和力，亲和力大，就润湿，否则，就不润湿。如图所示，就界面张力而言，当达到稳定状态后图中各界面张力之间的关系为：固-液界面张力γLS越小，cosθ

越趋近于1，也就是说，θ

越趋近于0，这种情况是润湿的第37页，课件共63页，创作于2023年2月3）溶质元素自由电子数目的影响表面张力双电层理论：在金属表面分布的电子层与金属正离子之间的作用力构成了对表面的压力，使金属有缩小表面积的倾向。该理论推导出表面张力表达式为：2）温度的影响：随温度升高而下降。因为原子间距随温度升高而增大自由电子数目多的溶质元素，其表面双电层的电荷密度大，对金属表面的压力也大，从而使系统表面张力增加。化合物表面张力之所以较低，是因其自由电子较少的缘故第38页，课件共63页，创作于2023年2月4）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，这样，将会使表面张力降低溶质与溶剂的原子体积之差：溶质原子大于溶剂原子，造成原子排布的畸变而使势能增加，倾向于被挤到表面，以降低系统能量，从而使整个系统表面张力降低。原子体积很小的合金元素，在金属中容易进入到熔剂的间隙使势能增加，从而被排挤到金属表面，成为富集在表面的表面活性物质。由于这些元素的金属性很弱，自由电子很少，因此，表面张力小，同样使金属表面张力降低第39页，课件共63页，创作于2023年2月

S、O、Te、Se（及N）等元素均能明显降低铁液的表面张力，见图1-12（P26）

Cr作为合金元素加入Fe液也使表面张力大大下降，而Ni对

Fe液表面张力的影响较复杂，随成分范围而不同，见图1-13

C和P对铁液表面张力的影响较小，略有降低作用

合金元素对镁、铝合金熔体表面张力的影响见图1-14（P26）表面活性元素均降低熔体的表面张力第40页，课件共63页，创作于2023年2月（二）表面张力在材料成形中的意义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），表面张力没有任何作用，但当表面具有一定曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。其关系式为：R1和R2为曲面上A点处的任意一对共轭曲率半径。其取法如下：过A作曲面的垂线l，过l

任意作两个互相垂直的平面分别交曲面于曲线l1和l2，R1和R2即为曲线l1和l2在A处的一对共轭半径第41页，课件共63页，创作于2023年2月可见，在曲率半径很小时，表面张力会引起很大压力差。表面张力在曲面两侧引起的压力差Δp，相对于平直界面而言为一附加压力。在铸造和焊接中的意义第42页，课件共63页，创作于2023年2月

铸造过程为防止粘砂，通常要求金属液与砂型不润湿。但毛

细管直径D和金属液静压头H越大，越易粘砂。据σ与D和H

的关系可推出是否粘砂的毛细管临界直径DC—选择砂型粒度在焊接和铸造熔炼过程中，高温下会产生融入到金属液中的

气体，为加速凝固过程中气体的逸出，表面张力起重要作用

CO2气保焊熔滴过渡中易产生飞溅也可由表面张力引起的曲面两侧压力差得到解释。焊丝含碳量越高，飞溅倾向越大第43页，课件共63页，创作于2023年2月2、液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响

——液膜理论在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，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。其中单位面积液膜的临界拉断应力和表面张力、液膜厚度的关系可用液膜理论模型加以说明第44页，课件共63页，创作于2023年2月3、表面张力对熔滴过渡的影响熔化极电弧焊，颗粒状熔滴向熔池中过渡时，表面张力大的熔滴形成细颈的阻力大，致使熔滴颗粒增大，熔滴过渡频率降低而导致电弧稳定性较差，飞溅增多改善熔滴过渡状态的途径在于降低其表面张力，主要有两措施：

增大焊接电流，使熔滴温度上升，表面张力降低，熔滴颗粒减小（电流增大到一定程度时，由熔滴过渡转为细颗粒高速喷射过渡）

适当增强电弧气氛的氧化性可降低表面张力，细化熔滴第45页，课件共63页，创作于2023年2月第四节液态金属的充型能力一、液态金属充型能力的基本概念液态金属充型能力(mold-fillingcapacity)：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一。充型能力不佳可能产生浇不足、冷隔、砂眼、卷入性气孔、夹砂等缺陷流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属液的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。充型能力与流动性之间的关系：充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力第46页，课件共63页，创作于2023年2月影响液态金属充型能力的因素：内因——液态金属本身的流动性(流动能力)；外因——铸型性质、浇注条件、铸件结构等，是各种因素的综合反映影响充型能力的因素是通过2个途径起作用的：①影响金属与铸型之间的热交换作用，从而改变金属液的流动时间；②影响金属液在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速第一类因素——金属性质。包括金属密度、比热容、热导率、结

晶潜热、粘度、表面张力、结晶特点等第二类因素——铸型性质。包括铸型蓄热系数、密度、温度、比

热容、热导率、涂料层、发气性和透气性等第三类因素——浇注条件。包括金属浇注温度、静压头、外场等第四类因素——铸件结构。包括铸件的折算厚度及由铸件结构所

规定的型腔的复杂程度引起的压头损失等。第47页，课件共63页，创作于2023年2月合金流动性表示方法：通常，在相同的条件下浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度表示该合金的流动性，并以所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力液态金属流动性的测试：如图所示，螺旋形试样。此外，还有球形，U形、楔形、真空试样等螺旋形试样优点：灵敏度高、对比形象、可供金属液流动相当长的距离，铸型的轮廓尺寸并不太大缺点：金属流线弯曲，沿途阻力损失较大，流程越长，散热越多，故金属的流动条件和温度条件都在随时改变第48页，课件共63页，创作于2023年2月灰口铸铁、硅黄铜的流动性较好；铸钢的流动性较差第49页，课件共63页，创作于2023年2月合金的螺旋形流动实验（spiralsampletest）第50页，课件共63页，创作于2023年2月司母戊鼎四羊方尊第51页，课件共63页，创作于2023年2月二、液态金属停止流动机理与充型能力研究液态金属停止流动机理的目的是考察影响液态金属流动性能的因素，进而提高液态金属的充型能力。液态金属停止流动机理，随金属的结晶特性（取决于结晶温度范围）可分为两种典型合金流动性比较实验：以纯金属Al和结晶温度范围较宽的Al-Sn5%合金为例。纯Al无结晶温度范围，Al-Sn5%结晶温度范围为425℃，过热温度83℃第52页，课件共63页，创作于2023年2月1、纯金属流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样的末端有缩

孔。这说明液态金属停止流动时，其末端仍保持有热的金

属液。停止流动的原因是末端之前的某个部位从型壁向中

心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞2、Al-Sn5%合金流动性试样的宏观组织是等轴晶，离入口处

越远，晶粒越细，试样前端向外突出。说明液态金属温度

是沿程下降的，液流前端冷却最快，先结晶，当晶体达到

一定数量时，便结成一个连续网络，发生堵塞，停止流动第53页，课件共63页，创作于2023年2月1、窄温度范围—纯金属、共晶成分合金及结晶温度范围很窄的合金停止流动机理2、结晶温度范围较宽的合金停止流动机理Ⅰ区：纯液态流动Ⅱ区：先形成凝固壳再被完全熔化Ⅲ区：未被完全熔化而保留下来的一部分固

相区Ⅳ区：结晶区1、过热量未散尽前是纯液态流动。温度降到液相线以下，液流中析出晶体，顺流前进并不断长大2、液流前端不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢c）当晶粒达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络，液流压力不能克服此网络的阻力时，发生堵塞而停止流动第54页，课件共63页，创作于2023年2月第55页，课件共63页，创作于2023年2月对于宽结晶温度范围的合金，充型能力的经验公式(F为试样截面积，P为试样截面周长，ρ为液态金属密度，α为换热系数，k为停止流动时液流前端的固相量，ΔH为结晶潜热，c为液态金属比热容，Tk为合金停止流动的温度)可见：静压头H↑，液态金属密度ρ

及比热C↑，合金的结晶潜热ΔH↑，浇注温度T↑→充型能力（流动长度L）↑换热系数α↑→充型能力（流动长度L）↓3、充型能力（宽结晶温度范围合金）计算公式第56页，课件共63页，创作于2023年2月三、影响充型能力的因素1、金属性质方面的