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【分类号】：TF76
金属镓是银白色稀有金属。按镓含量分为5N，6N，7N和8N共四种级别。质软，淡蓝色光泽。熔点29.78℃。沸点2403℃。斜方晶型，各向异性显著。镓用来制作光学玻璃、真空管、半导体的原料；装入石英温度计可测量高温；加入铝中可制得易热处理的合金。镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面。也用来作有机合成的催化剂。
Ga基合金，是以镓为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成镓为基础的合金。Ni65WC就算镍基合金，还有就是镍基不锈钢，如304，316等不锈钢。加入钨钼钴钛等的镍基合金通常硬度较高，耐磨性好，耐高温性能好等特点，通常做特殊用途，比如矿山合金，耐磨合金，涂层，刀具合金，强磁等。
本文主要研究纯Ga、Ga-Al、Ga-Sn、Ga-Sb等不同成分合金在温度显著变化时，以山东大学自主研发的高温熔体粘度测量仪测量不同成分的合金年粘度随温度的变化过程，还将探究预测外加磁约束时，结构性质的变化规律。
温度不同时，液态金属粘度的变化从一定程度上反映了其微观结构的变化，通过实验（采用 液态金属X涉嫌衍射仪及回转振动式高温熔体粘度仪）测定式样的振动衰减率，从而得到熔体的黏度，进一步对液体黏度可能存在的异常变化区进行分析（此区域极有可能产生结构的变化，即黏度的突变与结构的突变存在着某种依赖的关系），对液态金属的各种参数（如热膨胀系数）的变化进行预测。
液态金属或合金的结构性质将直接影响到凝固后的铸件的性能，而液态金属及合金的黏度是结构敏感物性参数，控制液态金属及合金的黏度对其液-固转变具有重要影响。由公式 可以看出，粘度的影响因素主要有原子间距、原子振动周期、原子结合能以及温度等，从而根据粘度变化可以预测液态金属或者合金原子之间的相互作用、液态金属的团簇形态结构，并进一步预测金属的凝固方式。粘度同时在材料成型方面具有重要意义，如影响金属流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度、影响合金元素的过渡等，其受温度的影响十分显著。
Ga 是半金属元素， 物理化学性质介于金属和非金属之间， 它同时具有金属键和共价键两种键形， 并在熔化时具有体积收缩的特殊现象。固体Ga 常温常压下不具有任何简单的晶体结构， 试验发现至少存在7 种以上的相， 这些相的原子结构非常复杂， 大多是几十个原子一个单胞。试验所用试样为高纯Ga 。Ga 是银白色液体或蓝灰色固体， 熔点沸点相差很大 ，液态范围相当宽， 固体密度为5.907 g / ， Ga 在空气中形成氧化物表面膜， 使它相当稳定， 常温下不和 、 发生反应。由于其熔点低， 采用水浴加热将其在热水中熔化， 然后将石英坩埚放入冷水中， 将熔融的Ga倒入其中急冷。试验所用的黏度测量仪是高温熔体黏度仪， 基本原理是振动容器法。该装置的黏度测量范围为0 ～ 10mPa·s， 测量温度范围从室温到1 500℃ ， 测量精度误差不超过5%。
测量原理：自由旋转振动容器中的液体会对容器的运动产生阻尼，使转动衰减，最终停止。测出振幅衰减和周期，即可换算出液体的粘度。这种方法常用于测定金属熔体的粘度，使用方便，缺点是难于得出阻尼与粘度之间的解析公式。Cavalier使用此法，最高温度可达1800摄氏度，如果使用电炉，加热器周围的磁场可能干扰悬挂着的扭转系统。据估计，此法的误差为1%—5%，但从已发表的结果来看，结果之间相差30%—50%。
测量方法： 将试样置于容器中， 抽真空至3 Pa并通入氩气， 然后将试样按照4℃/ min 的速度加热至所设定的试验温度， 保温1 h 后， 进行黏度值的测试。当温度达到最高试验温度后再进行熔体降温试验，每一个试验温度点重复测试3次， 取其平均值。实验结果及结果初步分析如下：
1、随着温度的降低，各种成分的合金熔体粘度均逐渐增大。温度从200℃；降至40℃；，纯镓的粘度从0.9918mPa·s增加至1.5191mmPa·s，Ga97.9Al2.1合金熔体粘度从1.0342mPa·s增加至1.4807mPa·s，Ga11.8 Sb88.3合金熔体从2.0096mPa·s增加至2.305m9Pa·s，Ga91.6Sn8.4合金熔体粘度从0.9434mPa·s增加至2.026mPa·s，而合金Ga98Sn2熔体粘度则从1.3011mPa·s到1.7551mPa·s 。
2、可以看出，相同温度下，纯镓的粘度基本低于其合金的粘度，说明Sn、Al和Tb的混合热Hm为负值，异类原子间结合力大于同类原子，导致摩擦阻力和粘度增加。而且随着元素种类不同，其影响效果不同，Sb元素使得粘度明显增加，而Al元素的含量为2.1%时，合金粘度值以及其随温度的变化趋势均接近于纯镓，变化基本不大。
3、随着镓中所加成分的不同，粘度随温度下降而增长的幅度不同。
另一方面，在外加磁场的作用下金属的凝固行为早有前人进行了实验： W.C.Johnson对凝固中的金属外加一个交变磁场，减小了柱状晶区的比例，同时还减小了等轴晶的尺寸，但如果施加的磁场为直流场，则会产生相反的结果；T.A.El-Bassyouni的实验则证明，当磁感应强度为0.027—0.033T时，细化效果最佳，同时令人不解的是，这一磁感应强度范围与金属的成分并无关系；至1989年，葛丰德以Al-Cu合金证实了单一的脉动磁场能明显细化晶粒的观点，但作者认为脉动磁场细化晶粒的效果还与电流强度、波形和频率等因素有关，而不仅仅取决于磁场强度。
为了探究磁场对金属凝固行为的影响，建立模型，假定有一匀强静磁场作用于正在凝固的金属，其對金属的作用主要体现在磁场力上面。在磁场力的作用下，有可能导致铁磁性物质的偏聚，因此在凝固过程中将扩大柱状晶区。如果该磁场变为交变磁场，即利用通过线圈的脉动电流 时，线圈将产生一个交变磁场（设其磁场强度为 ），在这一磁场的作用下，金属的凝固过程中将产生一个大小为 的感应电流，磁场和感生电流之间将发生点此作用，产生脉动的电磁力F，施加于正在凝固的金属当中，從而使其发生规则波动而细化晶粒。
我们不难发现，磁场强度 越大，产生的电磁力就越大，因为细化效果也更加显著。但另一方面不可忽视的是 也会随之增大，增大热效应升高温度，从而使 减小、成核率降低，所以，当磁场强度过大时，还会引起晶粒粗化。因此可以得到晶粒的细化效果和磁场强度值的关系为先增大再减小，可以预测，液态金属凝固过程中的粘度随着磁化率的上升也是会大幅度上升的。脉动磁场产生的感生电流 具有双重作用。一有细化晶粒的一面； 另一方面减小过冷度， 因而又有粗化晶粒的一面。两方面的综合作用结果必然有一个最佳值，由于过冷度敏感数是由材料自身性质决定的， 所以使晶粒细化取得最佳效果的磁场强度值应当是随材料不同而变化的。
液态金属的凝固行为受粘度的影响很大，同时收磁化率的影响也不可忽视，依靠其影响规律控制金属的凝固行为，对铸造技术发展的意义十分重大。
金属镓是银白色稀有金属。按镓含量分为5N，6N，7N和8N共四种级别。质软，淡蓝色光泽。熔点29.78℃。沸点2403℃。斜方晶型，各向异性显著。镓用来制作光学玻璃、真空管、半导体的原料；装入石英温度计可测量高温；加入铝中可制得易热处理的合金。镓和金的合金应用在装饰和镶牙方面。也用来作有机合成的催化剂。
Ga基合金，是以镓为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成镓为基础的合金。Ni65WC就算镍基合金，还有就是镍基不锈钢，如304，316等不锈钢。加入钨钼钴钛等的镍基合金通常硬度较高，耐磨性好，耐高温性能好等特点，通常做特殊用途，比如矿山合金，耐磨合金，涂层，刀具合金，强磁等。
本文主要研究纯Ga、Ga-Al、Ga-Sn、Ga-Sb等不同成分合金在温度显著变化时，以山东大学自主研发的高温熔体粘度测量仪测量不同成分的合金年粘度随温度的变化过程，还将探究预测外加磁约束时，结构性质的变化规律。
温度不同时，液态金属粘度的变化从一定程度上反映了其微观结构的变化，通过实验（采用 液态金属X涉嫌衍射仪及回转振动式高温熔体粘度仪）测定式样的振动衰减率，从而得到熔体的黏度，进一步对液体黏度可能存在的异常变化区进行分析（此区域极有可能产生结构的变化，即黏度的突变与结构的突变存在着某种依赖的关系），对液态金属的各种参数（如热膨胀系数）的变化进行预测。
液态金属或合金的结构性质将直接影响到凝固后的铸件的性能，而液态金属及合金的黏度是结构敏感物性参数，控制液态金属及合金的黏度对其液-固转变具有重要影响。由公式 可以看出，粘度的影响因素主要有原子间距、原子振动周期、原子结合能以及温度等，从而根据粘度变化可以预测液态金属或者合金原子之间的相互作用、液态金属的团簇形态结构，并进一步预测金属的凝固方式。粘度同时在材料成型方面具有重要意义，如影响金属流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度、影响合金元素的过渡等，其受温度的影响十分显著。
Ga 是半金属元素， 物理化学性质介于金属和非金属之间， 它同时具有金属键和共价键两种键形， 并在熔化时具有体积收缩的特殊现象。固体Ga 常温常压下不具有任何简单的晶体结构， 试验发现至少存在7 种以上的相， 这些相的原子结构非常复杂， 大多是几十个原子一个单胞。试验所用试样为高纯Ga 。Ga 是银白色液体或蓝灰色固体， 熔点沸点相差很大 ，液态范围相当宽， 固体密度为5.907 g / ， Ga 在空气中形成氧化物表面膜， 使它相当稳定， 常温下不和 、 发生反应。由于其熔点低， 采用水浴加热将其在热水中熔化， 然后将石英坩埚放入冷水中， 将熔融的Ga倒入其中急冷。试验所用的黏度测量仪是高温熔体黏度仪， 基本原理是振动容器法。该装置的黏度测量范围为0 ～ 10mPa·s， 测量温度范围从室温到1 500℃ ， 测量精度误差不超过5%。
测量原理：自由旋转振动容器中的液体会对容器的运动产生阻尼，使转动衰减，最终停止。测出振幅衰减和周期，即可换算出液体的粘度。这种方法常用于测定金属熔体的粘度，使用方便，缺点是难于得出阻尼与粘度之间的解析公式。Cavalier使用此法，最高温度可达1800摄氏度，如果使用电炉，加热器周围的磁场可能干扰悬挂着的扭转系统。据估计，此法的误差为1%—5%，但从已发表的结果来看，结果之间相差30%—50%。
测量方法： 将试样置于容器中， 抽真空至3 Pa并通入氩气， 然后将试样按照4℃/ min 的速度加热至所设定的试验温度， 保温1 h 后， 进行黏度值的测试。当温度达到最高试验温度后再进行熔体降温试验，每一个试验温度点重复测试3次， 取其平均值。实验结果及结果初步分析如下：
1、随着温度的降低，各种成分的合金熔体粘度均逐渐增大。温度从200℃；降至40℃；，纯镓的粘度从0.9918mPa·s增加至1.5191mmPa·s，Ga97.9Al2.1合金熔体粘度从1.0342mPa·s增加至1.4807mPa·s，Ga11.8 Sb88.3合金熔体从2.0096mPa·s增加至2.305m9Pa·s，Ga91.6Sn8.4合金熔体粘度从0.9434mPa·s增加至2.026mPa·s，而合金Ga98Sn2熔体粘度则从1.3011mPa·s到1.7551mPa·s 。
2、可以看出，相同温度下，纯镓的粘度基本低于其合金的粘度，说明Sn、Al和Tb的混合热Hm为负值，异类原子间结合力大于同类原子，导致摩擦阻力和粘度增加。而且随着元素种类不同，其影响效果不同，Sb元素使得粘度明显增加，而Al元素的含量为2.1%时，合金粘度值以及其随温度的变化趋势均接近于纯镓，变化基本不大。
3、随着镓中所加成分的不同，粘度随温度下降而增长的幅度不同。
另一方面，在外加磁场的作用下金属的凝固行为早有前人进行了实验： W.C.Johnson对凝固中的金属外加一个交变磁场，减小了柱状晶区的比例，同时还减小了等轴晶的尺寸，但如果施加的磁场为直流场，则会产生相反的结果；T.A.El-Bassyouni的实验则证明，当磁感应强度为0.027—0.033T时，细化效果最佳，同时令人不解的是，这一磁感应强度范围与金属的成分并无关系；至1989年，葛丰德以Al-Cu合金证实了单一的脉动磁场能明显细化晶粒的观点，但作者认为脉动磁场细化晶粒的效果还与电流强度、波形和频率等因素有关，而不仅仅取决于磁场强度。
为了探究磁场对金属凝固行为的影响，建立模型，假定有一匀强静磁场作用于正在凝固的金属，其對金属的作用主要体现在磁场力上面。在磁场力的作用下，有可能导致铁磁性物质的偏聚，因此在凝固过程中将扩大柱状晶区。如果该磁场变为交变磁场，即利用通过线圈的脉动电流 时，线圈将产生一个交变磁场（设其磁场强度为 ），在这一磁场的作用下，金属的凝固过程中将产生一个大小为 的感应电流，磁场和感生电流之间将发生点此作用，产生脉动的电磁力F，施加于正在凝固的金属当中，從而使其发生规则波动而细化晶粒。
我们不难发现，磁场强度 越大，产生的电磁力就越大，因为细化效果也更加显著。但另一方面不可忽视的是 也会随之增大，增大热效应升高温度，从而使 减小、成核率降低，所以，当磁场强度过大时，还会引起晶粒粗化。因此可以得到晶粒的细化效果和磁场强度值的关系为先增大再减小，可以预测，液态金属凝固过程中的粘度随着磁化率的上升也是会大幅度上升的。脉动磁场产生的感生电流 具有双重作用。一有细化晶粒的一面； 另一方面减小过冷度， 因而又有粗化晶粒的一面。两方面的综合作用结果必然有一个最佳值，由于过冷度敏感数是由材料自身性质决定的， 所以使晶粒细化取得最佳效果的磁场强度值应当是随材料不同而变化的。
液态金属的凝固行为受粘度的影响很大，同时收磁化率的影响也不可忽视，依靠其影响规律控制金属的凝固行为，对铸造技术发展的意义十分重大。