复习资料：第3章 金属的凝固

材料诚心复习材料

第3章 金属的凝固

1、金属的熔化是从哪里开始的？为什么？

答：金属的熔化是从晶界开始的。由于晶界上原子排列的相对不规则性，具有较高的势能。

2、何为晶界粘性流动？

答：金属被加热到熔点附近，晶界首先开始熔化，晶粒间可出现相对流动，称为晶界粘性流动。

3、 液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？

（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：

① 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化 Vm/V为3%~5%

左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 ② 金属熔化潜热 Hm约为气化潜热 Hb的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被

破坏。

由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。

4、金属的熔化状态，原子的结合键否完全被破坏？

答：金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。

5、如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？

答：长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。

近程有序是指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

6、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？

答：理想纯金属是不存在的，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇、空穴所组成，同时也含有各种固态、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。

能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间 不停地变化，时高时低的现象。

结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，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

材料诚心复习材料

量都随时间和空间发生着改变的现象。

浓度起伏是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，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，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。

7、理想纯金属液态结构在熔点以上不高的温度范围内有何特点？

答：“长程无序”和“近程有序”

能量起伏、结构起伏

8、实际金属合金液态结构与理想金属液态结构有何不同？

答：实际金属合金液态结构是由各种成分的原子团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成的“混

浊”液体，除了存在能量起伏、结构起伏外，还存在浓度起伏，

9. 根据牛顿粘性定律说明为动力学粘度η的物理意义，并讨论液体粘度η（内摩擦阻力）与液

体的原子间结合力之间的关系。

答：物理意义：作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dVX/dy的比例系数。 通常液体的粘度表达式为 Cexp(U/kBT)。这里kB为Bolzmann常数，U为无外力作用时原

子之间的结合能（或原子扩散势垒），C为常数，T为热力学温度。根据此式，液体的粘度η随结合

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。

310．过共析钢液η=0.0049Pa﹒S，钢液的密度为7000kg/m，表面张力为1500mN/m，加铝脱氧，生

3成密度为5400 kg/m的Al2O3 ，如能使Al2O3颗粒上浮到钢液表面就能获得质量较好的钢。假如脱氧

产物在1524mm深处生成，试确定钢液脱氧后2min上浮到钢液表面的Al2O3最小颗粒的尺寸。

2g( m B)r2

答： 根据流体力学的斯托克斯公式： ，式中： 为夹杂物和气泡的上浮速度，9

r为气泡或夹杂的半径，ρm为液体合金密度，ρB为夹杂或气泡密度，g为重力加速度。

r 9 1.34 10 4m 2g( m B)

11、分析物质表面张力产生的原因以及与物质原子间结合力的关系。

答：表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所造成。由于液体或固体的表面原子受内部的作

用力较大，而朝着气体的方向受力较小，这种受力不均引起表面原子的势能比内部原子的势能高。

因此，物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。

原子间结合力越大，表面内能越大，表面张力也就越大。但表面张力的影响因素不仅仅只是原

子间结合力，与上述论点相反的例子大量存在。研究发现有些熔点高的物质，其表面张力却比熔点

低的物质低，如Mg与Zn同样都是二价金属，Mg的熔点为650℃，Zn的熔点为420℃，但Mg的

表面张力为559mN/m；Zn的表面张力却为782mN/m。此外，还发现金属的表面张力往往比非金属

大几十倍，而比盐类大几倍。这说明单靠原子间的结合力是不能解释一切问题的。对于金属来说，

还应当从它具有自由电子这一特性去考虑。

材料诚心复习材料

12、表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧（两相）质点间结合力的大小有何关系？ 答：界面张力与界面自由能的关系相当于表面张力与表面自由能的关系，即界面张力与界面自由能

的大小和单位也都相同。表面与界面的差别在于后者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，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液

体或固体）与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。

当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧（两相）质点间结合力的大小成反

比，两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。相

反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小。

13、简述液态金属的表面张力的实质。

答：质点间的作用力

14、试利用杨氏方程

出现？

，说明当在固气表面张力小于液固表面张力时，以下哪种情况会

答：σSG为固—气界面张力，σLS为液—固界面张力，σLG为液—气界面张力。

θ角由界面张力σSG、σLS和σLG决定。当σSG > σLS时，此时液体能湿润固体，θ=0º时

为绝对湿润；θ < 90º时，固—液是湿润的，即为（b）图所示；当σSG < σLS时，θ> 90º，

此时液体不能湿润固体，即为（c）所示；θ=180º时为绝对不湿润。

所以——（C）会出现

15、试说明附加压公式：p 2 表示的物理意义，并说明为什么砂型铸造时，砂型中虽然存在微r

小缝隙，熔融金属并不会填充缝隙，铸件表面仍然是光滑的。

答：表面张力而产生的曲面为球面时，附加压力与管道半径成反比。