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文档简介
15三月2024纯金属液体结构与过冷教材1.郑子樵主编.材料科学基础[M],长沙:中南大学出版社,2005参考书:1.唐仁政主编,物理冶金基础[M],北京:冶金工业出版社,19982.徐祖耀,材料热力学[M],北京:科学出版社,1999;3.其他版本的“材料科学基础”Date2材料热力学是热力学基本原理在材料设计、制备与使用过程中的应用,包括相图热力学和相变热力学。本课程主要内容是热力学在相图中的运用,包括一元相图、二元相图以及简单的几种三元相图的学习。Date3凝固
液态
固态晶体(结晶)非晶体通常凝固条件下,金属及其合金凝固后都是晶体,因此也称金属及合金的凝固为结晶Date4晶体与非晶体的形成粘度:粘度高的物质容易形成非晶体如高分子材料,而粘度小的物质如金属和合金容易形成晶体冷却速度:当冷却速度达到107℃/s,金属也能获得非晶态Date51.金属液态结构与性能特点对于液态结构的认识仍未有一个比较全面、完善的理论气态:无固定形状,具有流动性和各向同性固态:具有一定的体积,不易被压缩液态Date6凝固与材料性能的关系内因:微观组织决定固态金属材料的宏观性能。外因:不同的凝固条件下可以获得不同的微观结构,材料具有不同的宏观性能。Date7凝固理论的发展早期:局限于夹杂、气体、微量元素等异质组成对最终组织的影响;后来:液态结构变化对凝固以后的材料组织、性能和铸锭质量的影响;从熔体结构控制的角度来改善和控制凝固尚是经验性的。Date8体积增大:一部分是质点间距离加大,另一部分是形成了大量空位金属名称晶体结构熔点(℃)熔化时体积变化率(%)Ag面心立方960.54.99Al面心立方660.26.6Fe体心立方/面心立方15363.0Cu面心立方10834.15Mg密排六方6504.1Bi三方271-3.25Li体心立方1791.5金属熔化时的体积变化
1.1液态金属与固态金属的比较Date9液态金属的压缩具有很小的可压塑性,表明液态金属的质点间距接近固态金属;气态有很大的压缩系数,表明气体质点间距很大。Date10固-液转变时热容虽有突变,但是变化不大,在液体中质点热运动的特点与固体很接近金属FeMnCrNiAl固态Cp,m41.846.442.635.732.6液态Cp,m
34.146.440.535.729.3某些金属在熔点附近的摩尔热容[J/(mol·K)]金属熔化时的热容变化Date11ΔHm<ΔHb金属
熔点℃
熔化潜热ΔHm沸点℃气化潜热ΔHb
ΔHm/ΔHb
Ag960.511.2221225823Al66010.4248029127.8Au106312.8295034226.7Cd3216.476599.515.6Fe153615.2307034022.4Mg6508.69110311516.0某些金属的熔化潜热及气化潜热(KJ/mol)金属熔化时的熔化潜热与气化潜热的变化
Date12ΔHm
=内能的变化+体积变化引起的膨胀功体积变化很小膨胀功不大(气化时膨胀功很大)动能+势能Tm时固态和液态质点的动能变化不大ΔHm主要反映了势能或质点间相互作用力的变化Date13∵G=H-TS(1)在Tm时,液固两相的自由能GL与Gs相等∴HL-TmSL=Hs-TmSs(2)式中,HL、Hs分别为液体和固体的焓
SL、Ss分别为液体和固体的熵式(2)变换后:
ΔS=SL-Ss=(HL-Hs)/Tm(3)在恒压下
HL-Hs=Hm
所以
ΔS=SL-Ss=Hm/Tm
(4)
熔化时无序程度(熵)的变化Date14熔化时熵的增加比较大金属熔化时,配位数改变很小,原子间距或最近邻原子数目没有多大变化,而无序程度则大为增加金属
从298K到熔点的熵变ΔS熔化熵ΔSm
ΔSm/ΔSMg31.57.00.31Al31.411.50.37Au40.99.240.23Cd18.910.30.54Fe64.88.360.13部分金属从室温(25℃)至熔点的熵变(KJ/mol)及熔化熵Date15对液态金属的微观结构认识比较浅,其与固态之间本质的、内在的联系还比较模糊通过射线(X射线、中子)衍射和理论计算(分子动力学模拟)发现:宏观上液态结构是均匀、各向同性的,而缩小到原子尺寸时,液态结构不均匀,原子围绕平衡中心振动以及在不同位置之间的活化迁移。金属液态结构Date161.液体中原子之间的平均距离比固体中稍大一点;2.液体中原子的配位数比密排结构的固体的配位数减少,即熔化时体积略为膨胀,但对于非密排结构的晶体,如Ga、Ge、Sb和Bi等液态时配位数反而增大,即熔化后体积略为收缩;3.液态中原子排列混乱程度增加。
熔点时金属的原子距离和配位数金属液态固态原子间距,nm配位数原子间距,nm配位数Al0.29610~110.28612Zn0.294110.265,0.2946+6Cd0.30680.297,0.3306+6Au0.286110.28812Bi0.3227~80.309,0.3463+3Date17长程无序和短程有序液态结构的主要特征是长程无序,晶体的熔化消除了三维的周期性;在液态结构中,在一定程度上仍然保持原子排列的短程有序,构成晶态小集团,其能量和结构始终变化。Date18液体金属的起伏晶态小集团的尺寸变化即结构起伏;金属液体中微观区域的自由能也是变化的,即能量起伏;在合金系统中,还存在成分起伏现象。Date192金属结晶的基本规律
金属铸件一般由不同位向的晶粒构成,结晶行为是形核与长大的过程,形核与长大交错进行。2.1金属结晶的微观现象
氯化铵水溶液结晶过程Date20金属的凝固过程——形核,长大形核长大形成晶粒晶核长大,有新的晶核形成液体消失,结晶结束Date21晶粒与晶界以一个晶核形成长大的晶体称为一个晶粒;晶粒与晶粒的界面称为晶界,金属结晶完成后获得多晶粒的组织,由于各个晶核随机生成,所以各个晶粒的位向各不相同100x晶粒晶界Date222.2金属结晶的宏观现象
热分析:利用金属结晶时的某些宏观特
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