液态金属结构与性质PPT学习教案

1、会计学1液态金属结构与性质液态金属结构与性质第一节第一节 引言引言第二节第二节 液态金属的微观结构液态金属的微观结构 第三节第三节 液态金属的性质液态金属的性质第四节第四节 液态金属的充型能力液态金属的充型能力第1页/共58页第2页/共58页n离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）第3页/共58页第4页/共58页n热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。第5页/共58页第6页/共58页一、一、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征液体与固体、气体结构比较及衍射特征二、二、 由物质熔化过程认识液体结构由物质熔化过程认识液体结构三、液态金属结构的理论模型三、液态金属结构的理论模型 第7页/共58页第

2、8页/共58页第9页/共58页第10页/共58页第11页/共58页第12页/共58页 配位数配位数N1：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数。 配位数配位数 N1 的求法：的求法：RDF第一峰之下的积分面积第一峰之下的积分面积drrrgNmrr21)(400 N1 与与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。一起，被认为是液体最重要的结构参数。第13页/共58页双原子模型双原子模型 第14页/共58页双原子模型双原子模型 当两原子靠近时，原子间产生吸引力(合力合力 F0)，并随距离的继续缩短而，并随距离的继续缩短而迅速增大。迅速增大。0)(

3、)(00RRdRRdWRF第15页/共58页双原子模型双原子模型 势能曲线极不对称势能曲线极不对称:向右向右是是，向左向左是是第16页/共58页每个原子在三维方向都有相邻原子，频繁相互碰撞而交换能量。每时每刻都有一些原子能量超过(或低于)原子平均能量 (“能量起伏能量起伏” ) 高能原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在新的位置上作微小振动。一旦有机会获得大的能量，又可以跑到新的位置上。(内蒸发) 原子离开点阵则留下了自由点阵空穴(物体膨胀的另一原因 )T越高，空穴越多T至熔点时，空穴骤然增多至熔点时，空穴骤然增多。F-R曲线上，曲线上，R超过超过R1，原子间的引

4、力急剧减小，原子间的引力急剧减小，从从而造成原子结合键突然破坏而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入熔化状，金属则从固态进入熔化状态。态。 第17页/共58页第18页/共58页（一）（一） 无规密堆硬球模型无规密堆硬球模型 （二）（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型液态金属结构的晶体缺陷模型（三）（三）综合模型综合模型（四）液体结构及粒子间相互作用的理论描述（四）液体结构及粒子间相互作用的理论描述（五）（五）实际液态金属的微观特点实际液态金属的微观特点第19页/共58页第20页/共58页v在特定的温度下，虽然“能量起伏”和“结构起伏”的存在，但对于某一特定的液体，其团簇的统计平均尺寸是一定的

5、。v然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。 第21页/共58页排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。第22页/共58页聚集；nF(A -B)F(A-A、B-B)：液体中形成新的化学键 A-B原子聚集第23页/共58页一、液态金属的粘度一、液态金属的粘度二、液态金属的表面张力二、液态金属的表面张力第24页/共58页第25页/共58页第26页/共58页.oV5V4V3V2V1YXZ外力作用于液体表面各原子层速度外力作用于液体表面各原子层速度 dydVX表述为：液体流动的速度梯度表述为：液体流动的速度梯度dVX/dy与剪切应力与剪切应力成正比。成正比。通

6、常条件下，所有的液态金属符合牛通常条件下，所有的液态金属符合牛顿定律，被称为牛顿液体。顿定律，被称为牛顿液体。粘度的物理意义可视为：作用于液体粘度的物理意义可视为：作用于液体表面的应力表面的应力大小与垂直于该平面方向大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。上的速度梯度的比例系数。 液体粘度量纲为液体粘度量纲为M / LT，常用单位，常用单位为为 PaS 或或 MPaS。第27页/共58页粘度粘度随原子间结合能随原子间结合能U按指数关系增加，这按指数关系增加，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；内摩擦阻力越大，粘度

7、也就越高；粘度的影响因素：粘度的影响因素：粘度随原子间距粘度随原子间距增大而降低（成反比）。实增大而降低（成反比）。实际金属液的原子间距际金属液的原子间距也非定值，温度升高，原也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距增大，子热振动加剧，原子间距增大， 随之下降；随之下降；与温度与温度T的关系受两方面（正比的线性关系和的关系受两方面（正比的线性关系和负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随负的指数关系）所共同制约，通常，总的趋势随温度温度T而下降（见而下降（见图图）；）；TkUkTBexp203第28页/共58页RTHXXm21)(2211p若混合热若混合热Hm为负值，合金元素的增加会使合

8、金为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（液的粘度上升（Hm为负值表明反应为放热反应，为负值表明反应为放热反应，异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）及粘度随之提高）若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。金液中存在异类原子间较强的化学结合键。表面活性元素（如向表面活性元素（如向Al-Si合金中添加的变质元素合金中添加的变质元素Na）使液体粘度降低，非表面活

9、性杂质的存在使粘度提高使液体粘度降低，非表面活性杂质的存在使粘度提高。第29页/共58页/第30页/共58页DvDReDf32Re32层2 .02 .02 .0)(092.0Re092.0Df紊第31页/共58页n影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：n熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。第32页/共58页第33页/共58页的影响就会直接影响到铸件的质量。第34页/共58页反应速度受到反应物及生成物在金属液和熔渣中扩散速度的影反应速度受到反应物及生成物在金属液和熔渣中扩散速度的影响，金属液和熔渣的响，金属液和熔渣的粘度粘度低有利于扩散并脱去杂质元素低有利于扩散并脱去杂质元素。第35页/共58页

10、粘度粘度较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及较大时，夹杂或气泡上浮速度较小，影响精炼效果；铸件及焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔焊缝的凝固中，夹杂物和气泡难以上浮排除，易形成夹杂或气孔。2)(92rgBm第36页/共58页 熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散熔渣及金属液粘度降低，进入熔渣中的合金元素易扩散到熔渣到熔渣-熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。熔池金属界面上，向熔池金属内部扩散。第37页/共58页第38页/共58页第39页/共58页 表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所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

11、或固体的表面原子受内部的作用力较造成。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。表面原子的势能比内部原子的势能高。因此，因此，物体倾物体倾向于减小其表面积而产生表面张力。向于减小其表面积而产生表面张力。第40页/共58页 表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大然表面张力与表面自由能是不同的物理概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。小完全相同，单位也可以互换。通常表面张力的

12、单位为力通常表面张力的单位为力/距离（如距离（如N/m、dyn/cm），），表面能的单位为能量表面能的单位为能量/面积（如面积（如J/m2、erg/cm2等）等）。第41页/共58页（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。第42页/共58页第43页/共58页第44页/共58页 例如：水银与玻璃间及金属液与例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角于两

13、者容易结合，界面张力与润湿角就很小。就很小。 液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。，形核率越高。 熔渣与液态金属之间的润熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。护效果与焊缝外观成形。第45页/共58页 表面为平面时（曲率半径表面为平面时（曲率半径为无穷大），表面张力不产为无穷大），表面张力不产生压力差。当表面具有一定生压力差。当表面具有一定的曲度时，液相中的压力高的曲度时，液相中的压力高于气相（于气相（p1p2），该压力），该压力差值的大小与曲率半径成反差值的大小与曲率半径成反比，

14、曲率半径越小，表面张比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。力的作用越显著。2、表表面面张张力力 rp对任意曲面：对任意曲面： 2111rrp对球形曲面（如液滴）（对球形曲面（如液滴）（r1=r2）：）： rp2液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：液相为凸面时（金属液滴），液滴内部压力大于外部压力：p1p2液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压力：液相为凹面时（液相中有气泡），气泡内部压力小于外部压力：p1p2对柱面（对柱面（r2 )：第46页/共58页rp/ 设液膜为圆柱体的部分凹面，设液膜为圆柱体的部分凹面，由于表面张力的作用，始终存在由于表面张力的作用，始终

15、存在着一个与外力方向相反的应力与着一个与外力方向相反的应力与之相平衡，其大小为：之相平衡，其大小为： 当当 r = T/2 时，时，fmax =p达临达临界值，如果继续将液膜拉开，界值，如果继续将液膜拉开，则曲率半径则曲率半径 r 将再度变大，而将再度变大，而应力应力p 将变小。在这种情况下将变小。在这种情况下，凝固收缩引起的拉应力将大，凝固收缩引起的拉应力将大于由表面张力所产生的应力，于由表面张力所产生的应力，使液膜两侧固体急剧分离。使液膜两侧固体急剧分离。LSSd)c)b)a)HHTcTbrc=r*=T/2rbTaSSSSSSLLL第47页/共58页Trpf22T/max第48页/共58页

16、第49页/共58页第50页/共58页RDF= 4r2og(r), atoms /r, （ 稍高于熔点时几种液态碱金属的径向分布函数稍高于熔点时几种液态碱金属的径向分布函数 ( RDF ) RDF 第一峰之下的积第一峰之下的积分面积即配位数分面积即配位数 N1 第51页/共58页CrystalMatter StructureTypeTm(K)Vm / Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)NaNabccbcc3703702.62.67.037.03ScScbccbcc3023022.62.66.956.95FeFebcc/fccbcc/fcc180918093.63.67.617.61AlAl

17、fccfcc9319316.96.911.611.6AgAgfccfcc123412343.513.519.169.16CuCufccfcc135613563.963.969.719.71MgMghcphcp9249242.952.959.719.71ZnZnhcphcp6926924.084.0810.710.7SnSncomplexcomplex5055052.42.413.813.8GaGacomplexcomplex303303-2.9-2.918.518.5N N2- -63.163.17.57.52.72.7ArAr- -83.7883.7814.414.43.363.36CHCH4- -90.6790.678.78.72.472.47第52页/共58页( Hb /ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb / HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表表1-2 几种晶体几种晶体物质的熔化潜热（物质