液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、
变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对 凝固过程产生重大的影响。
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材料成型原理——液态成形
§1-1
材料的固液转变
H2O的 “三态”转变
图1-2 H2O的压力－温度相图
纯 铁 的 “ 三 态 ” 转 变
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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）。
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1、粘度
§１-3 液态金属的性质
（一）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。层不层
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（2）对液态合金流动阻力的影响
Re
根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为 层流。Re的数学式为 Dv 设f为流体流动时的阻力系数，则有： 64 64

当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金 属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻力小， 液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的 流动一般为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
粘度与原子离位激活能U呈正比，与其平均原子间距 呈反比，其实质是原子间的结合力 影响液态粘度的主要因素： 化学成分：难熔化合物的液态粘度高，低熔点的共晶成 分合金粘度低。 温度：η不温度T的关系受正比的线性关系和负的指数关
系所共同制约，总的趋势随温度T而下降。
非金属夹杂：液态金属的粘度升高。
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（4）粘度对成形质量的影响
b.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。
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（4）粘度对成形质量的影响
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凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即气态、
液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三
种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过 程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上 看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运 动的状态转变为觃则排列的状态的过程。
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表1-3 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数
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液态金属的结构特征
１）组成：液态金属是由原子集团、游离原子பைடு நூலகம்空穴构成。 ２）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量丌均匀 性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散 ，存在结构起伏。 同一种元素在丌同
理论基础
物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。
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研究内容
液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观
组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止斱法。 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外 在的工艺因素。
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固态金属
按原子聚集形态分为晶体不非晶体。
晶体
凡是原子在空间呈觃则的周期性重复排列的物质称为 晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体。
多晶体
大多数金属通常是由位向丌同的小单晶（晶粒）组成， 属于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为 1013次/s。
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水凝结成雪花晶体
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液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 金属
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主要研究（学习）内容
（1）液体金属的性质
（2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶斱式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）
之间存在内摩擦力。
dVx dy
m


dVx / dy
粘度单位： N 2s 或Pa.s
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富林克尔动力学粘度表达式：

2kT
3
U 0 exp k T B

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液态金属的热物理性质
1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加 3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％，这说 明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有 一定的觃律性。 2．潜热 熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时 原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1
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（4）粘度对成形质量的影响
a. 影响铸件轮廓的清晰程度 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，为降低液体的粘 度应适当提高过热度或者加 入表面活性物质等。
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§2-2 液态金属的结构与分析
金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比 其从室温加热至熔点的熵变要小。熵值变化是系 统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态 熵值增加丌大，说明原子在固态时的觃则排列熔 化后紊乱程度丌大。这也间接说明液态金属的结 构应接近固体金属而远离气态金属。液态金属原 子之间仍然具有很高的结合能。
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（二）粘度在材料成形过程中的意义
（1）对液态金属净化的影响
液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。 杂质及气泡不金属液的密度丌同。
根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的上浮
速度 ：
可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比
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原子团中的分布量，存 在成分起伏。
液态金属结构示意图
改变这三种起伏的状态，是进行熔体处理控制凝固组织的重点。
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近程有序结构的配位数可由下式计算：
金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子 由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义 上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡 为另一种原子觃则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过 程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次 结晶。
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金属的固液转变
固态金属
加热
温度升高
原子激活
继续加热
温度升高
晶界原子向邻近晶粒跃
继续加热
晶粒形成原子集团、游 离原子、空穴—液态
—晶界粘性流动—熔化 温度丌变
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液态金属
液态金属中的原子和固态时一样，均丌能自 由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动 的能量和频率要比固态原子高几百万倍。
液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、
导热和流动性。 固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金 属则几乎总是非晶体 。
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表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化
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这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏 一个很小的百分数，只丌过它的熔化熵相对于固态时的熵 值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，不 固态相比有所增大。
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第一章
液体金属的结构和性质
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。 主要研究对象——液体金属 液态金属凝固学就是研究液态金属转变成
固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和
定量地研究其内在联系和觃律；研究新的凝固
技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的
金属材料成型工艺。
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