重庆大学金属凝固原理 课件 第2章 液态金属的结构和性质

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1、第二章液态金属的结构与性质§2-1液体的分类及其基本特征一、液体的分类·原子液体（如液态金属、液化惰性气体）·分子液体（如极性与非极性分子液体）·离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）二、液体的表观特征具有流动性（液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状（类似于气体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面（类似于固体，不同于气体）；液体可压缩性很低（类似于固体，不同于气体）。三、液体的基本性质物理性质：

2、密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等；物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等；热力学性质：蒸汽压、热膨胀与凝固收缩及其它金属液体粘度较大，而水几乎没有粘度。§2-2液态金属的结构一、液体与固体、气体结构比较二、目前研究液态金属结构的方法三、实际金属的液态结构一、液体与固体、气体结构比较晶体:平移、对称性特征（长程有序）——原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动气体:完全无序为特征——分子不停地作无规律运动液体：长程无序——不具备平移、对称性；

3、近程有序——相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性二、目前研究液态金属结构的方法1.间接研究方法：研究金属熔化、汽化时的物理现象间接研究液态结构。·体积变化金属熔化后，体积一般膨胀4-7%（见表2-1），原子间距增大1.0～1.5%，而汽化后，体积膨胀为无限大，说明液态金属在低温时接近固态。·热量变化由表2-1可知，金属的熔化潜热只占汽化潜热的很小部分（<7.0%），说明其结构接近固态。2.直接研究方法：通过液态金属X射线衍射分析来直接研究金属的

4、液态结构。以700℃液态铝的X射线衍射结构分析为例（见图2-1）；X射线所得到液态和固态金属结构参数见表2-2。由图2-1和表2-2分析得出：·液态金属中，原子间结合力仍很强，平均原子间距增加不大。·液态金属结构为“近程有序”，即由10几个至几百个原子形成的集团所组成，在每一个原子集团内原子排列是有序的。·原子集团的热运动很强，能量起伏大，原子集团是瞬时的，游动的。·原子集团之间的距离较大，存在“空穴”，“空穴”中可能有游离原子、杂质原子，也可能由裂纹或气泡构成。“空穴”也是瞬时的，游动的。·原子集团的平均尺寸

5、和游动的速度与温度有关，温度越高，其平均尺寸越小，游动速度越快。图2-2为不同温度下，液态金属结构示意图。1200℃1700℃1550℃1400℃图2-2不同温度下液态金属结构示意图三、实际液态金属的结构“能量起伏”——各个原子集团的动能不同“结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇存在着结构上的差异。“浓度起伏”——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，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。小结：液体金属的结构是由许多瞬时的、游动的

6、、近程有序的原子集团和空隙组成，原子集团间存在能量起伏、结构起伏和浓度起伏。§2-3液态金属（合金）的性质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：一、液态金属（合金）的粘度二、液态金属（合金）的表面张力一、液态金属（合金）的粘度1.液态合金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）粘度的定义及意义（2）影响粘度的因素（1）粘度的定义及意义粘度——液体在层流运动状态下，各液层间存在阻碍液体流动的内摩擦阻力，该内摩擦阻力称为粘度。—两液层间的相对移动速度

7、—与液体性质有关的系数由牛顿液体粘滞定律，得两液层间的摩擦力：式中：图2-3力作用于液面各层的速度—两液层间的接触面积由上式得：（Pa·s或MPa·s）称为动力粘度系数，简称动力粘度。如果在外力作用下的水力学流动，则液体密度ρ对流动的影响可忽略，则得到运动粘度：（m2/s）（2）影响粘度的因素a.温度的影响由富林克尔粘度表达式：KB——Boltzmann常数；U——为无外力作用时原子之间的结合能τ0——为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由上式看出：粘度随原子间距

8、δ增大而降低（成反比）。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，原子间距增大，随之下降；粘度随原子间结合能U按指数关系增加，这可以理解为，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；与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度T而下降（见下图）；a）液态Nib）液态Co图2-4液体的粘度与温度的关系（图中各曲线分