液體金屬

液體金屬是熔點不超過鋁熔融溫度（660.37℃）的十七種金屬的統稱。它們分別是汞、銫、鎵、銣、鉀、鈉、銦、鋰、錫、鉍、鉈、鎘、鉛、鋅、銻、鎂、鋁。還有許多合金在室溫甚至在很低的溫度時也為液態。如鈉鉀合金（熔點-12.5℃）。

它們具有高的熱導率、良好的比熱、低粘度和穩定性。主要用作熱傳導劑和熱處理劑。

基本介紹

• 中文名：液體金屬
• 外文名：Liquid metal
• 定義：熔點不超過鋁熔融溫度的金屬
• 特點：高熱導率，低粘度和穩定性等
• 套用：熱傳導劑和熱處理劑
• 金屬種類：汞、銫、鎵、銣、鉀、鈉等
• 套用學科：冶金工程

液體金屬脆

液體金屬脆的概念

當金屬構件與液體金屬接觸時，由於液體金屬的作用，構件往往會發生延遲斷裂，稱為液體金屬脆斷（LMIC）。

液體金屬往往都是那些低熔點金屬，如鋅、鎘、鈉和鋰等。在不太高的溫度下，它們既能熔化成液體和氣化成金屬氣體。當金屬構件暴露在熔化了的金屬中時，由於滲透作用，這些低熔點金屬即可向金屬構件內部沿晶界擴散，因而弱化了晶界，造成金屬材料的低應力脆斷。當構件承受較大的應力時，斷裂可能立即發生。但是當構件受力較小時（低於材料的屈服強度），則要經過一定的孕育期後才會發生。

發生LMIC的溫度，不一定要超過這些低熔點金屬的熔點。例如，AISl4340鋼或200B馬氏體鋼的缺口試樣，暴露在鎘中，當溫度在230℃時就可能發生LMIC，而這一溫度還低於鎘的熔點（231℃）。

產生液體金屬脆的條件

金屬構件與液體金屬長期接觸，就可能產生LMIC，但並不是所有固體一液體接觸都會產生。產生LMIC一般應具備以下條件：

（1）它們之間不能形成穩定的高熔點金屬間化合物。

（2）它們之間沒有較大的溶解度。

（3）固體金屬必須與液體金屬接觸，建立固體一液體金屬間的真正接觸面，以浸濕固體金屬，但接觸面不一定要很大。

液體金屬脆的特點

（1）液體金屬引起的脆斷，明顯降低材料的斷裂強度和總的伸長率。例如，低碳鋼由於鋰引起的LMIC，其伸長率僅為2%～3%。

（2）LMIC往往是沿晶斷裂，但在裂紋傳播過程中，也可能出現部分穿晶斷裂。當應力狀態為拉應力時，斷面常和應力軸垂直。

（3）材料的強度越高，對LMIC越敏感。

（4）單相金屬的晶粒度，對LMIC的斷裂應力有明顯影響。品粒越粗大，斷裂應力越低。

常見工程材料的液體金屬脆斷

工程上常用的金屬材料如碳鋼、不鏽鋼、低合金鋼、鋁、銅、鈦、鎳等，與液體金屬接觸而產生LMIC的敏感性是不同的。大致有下面的規律：

（1）碳鋼和低合金鋼對許多液體金屬引起脆斷是敏感的。在溫度為260～815℃之間，鎘、黃銅、青銅、銅、鋅、銦、鋰都可能使其產生LMIC。

（2）不鏽鋼在一般情況下不發生LMIC。

（3）鋁和鋁合金可被液體鎵、鈉、錫脆化。

（4）黃銅、青銅對水銀所引起的脆化特別敏感。在黃銅、青銅中加入錫或鈉，可降低由於水銀而引起的脆性。黃銅、青銅還可能被錫、鉛脆化。

（5）鎂合金對LMIC不太敏感，只有鈉和鋅才能使它們產生脆化。

（6）鈦和鈦合金承受應力時，水銀可能引起它的脆化，熔融的鎘也能引起鈦脆化。

液體金屬的流動

凝固過程中的液體流動主要包括自然對流、強迫對流及其傳輸過程中引起的流動。液體流動對結晶組織、溶質分配、偏析、夾雜物的聚合等都有影響。

自然對流

（1）浮力流

浮力流是最基本最普遍的對流方式。液態金屬在鑄型中冷卻和凝固過程中，由於各處溫度不同（溫差）造成熱膨脹的差異，以及液體各處成分不均勻（濃度差）等原因引起的密度不同而產生浮力，是重力場中產生對流的驅動力。當浮力大於液體的粘滯力時，則產生對流。溫差和濃度差造成的對流，其強度可用無量綱的格拉索夫準則度量。

由格拉索夫準則可得：運動粘度愈大，對流強度愈小。此外，由於已凝固的晶體與液體的密度不同，以及由於凝固收縮形成的壓力差等原因造成的液體流動也都受粘度的影響。

（2）枝晶間中液體的流動

所謂“在枝晶間的流動”指的是在糊狀區中的補縮流。枝晶間的距離一般在10 到100 之間，從流體力學的觀點來看，可以將枝晶區域作為多孔性介質處理。但要考慮到流體的流量隨時間而減少，枝晶所占體積分數隨時問而增加（因為凝固與流動在同時進行）；而且還要考慮到液、固兩相的密度不同（體系的平均密度隨時間而變）；還要考慮到散熱、降溫對密度的影響。因此，金屬液在枝晶問的流動問題遠比一般的流體通過多孔性介質的問題複雜得多。

枝晶間中液相密度不均勻產生的浮力流及凝固收縮引起的補縮液流是凝固過程中兩相區內液體流動的主要形式。在巨觀上，可以用達西（Darcy）定律描述枝晶間的液體流動。

強迫對流

在凝固過程中以外在激勵使液相產生的流動稱為強迫對流。通過各種凝固技術驅動液體強迫流動，可實現對凝固組織形態及傳熱、傳質條件的控制。通常產生強迫對流的途徑為：

①澆注過程的初始動量（mv）；

②電磁場攪拌驅動液體的流動；

③液相的機械攪拌；

④凝固過程中的鑄型振動；

⑤外加電場引起的溶質的電傳輸，導致的液體流動；

⑥液相中氣體的上浮引起的對流；

⑦液相旋轉。

對流對凝固前沿的影響

當溫度梯度較大時，對流造成凝固前沿的溫度波動。當Re（雷諾數）值很大時，這種波動可導致凝固速度的波動以及有效分配比的波動，從而造成固相成分的波動——冷卻後的侵蝕面上可以看到“偏析帶”。

強烈的對流達到紊流的程度時，可能沖刷新形成的枝晶臂而造成晶粒繁殖，對細化等軸晶有一定的幫助。

對於水平方向生長的鑄件，如果有垂直方向的對流，則說明有垂直方向的溫差，它可導致生長面不垂直於生長方向。

液體金屬衝壓

液體金屬衝壓又稱液態模鍛。實質上，它是另一種類型的擠壓鑄造，所不同的是液體金屬衝壓的過程與一般衝壓過程相似，即在壓力機的砧座上安裝一類似沖模的下型，向此型中澆入液體金屬如右圖（a）所示。而後類似沖頭的上型（也可稱為沖頭）往下移動，將下型中的液態金屬擠滿型腔，在壓力作用下凝固成型，如右圖（b）所示。

液體金屬衝壓鑄鍋示意圖

如右圖所示的是一種在我國套用得較廣泛的鑄鍋法。在此情況下，因上口是敞開的，液體金屬在凝固時所受的壓力較小。

如右下圖所示為另一種液體金屬衝壓，在衝壓終了時，型內金屬處於封閉的型腔中，故液體金屬能在較大的壓力下進行凝固。

封閉式液體金屬衝壓

液體金屬衝壓的優缺點主要體現在以下幾個方面：

①鑄件精度高，加工餘量小，甚至可優於模鍛件。

②由於鑄件是在壓力下快速凝固的，所以組織緻密，晶粒細小，鑄件的力學性能較好。

③鑄型的壽命較高，通常情況下，如果採用金屬型，它的壽命比鍛壓模具高得多。

④生產率高，工序簡單。液體金屬衝壓大多在油壓機上進行，常用來生產鋁合金、鋅合金、銅合金、鑄鋼、鑄鐵等鑄件，如高壓鍋、閥體、活塞、鐵鍋等。