1.3.1液体金属的基本理论.ppt

1、1.1.1 液态金属基本理论,液态金属的结构 金属和合金材料的加工制备过程: 配料、 熔化 凝固成型 三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程， 它决定着金属材料的微观组织特征。 液相成型 液相有哪些特征？ 为什么 内部结构,固态金属 按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体 凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。 单晶体 在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体 多晶体 大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。,在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率

2、约为1013 次/s。 液态金属？ 液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动 但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。 液相结构？,1. 物理性质变化,体积只膨胀37， 即原子间距平均只增大11.5 金属从k到熔点的固态体积膨胀几乎都是7，因此金属熔化时的体积膨胀不超过固态时的体积变化总量，液态金属的结构不可能完全无序！,几种常用金属熔化时的体积变化,熔化潜热只占气化潜热的37 见表1 这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液

3、态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。 比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相同的数量级。,表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热,返回,液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间仍然具有很高的结合能。,X射线衍射分析 图1-21是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。 横坐标r为观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径。 纵坐标 表示当半径增减一个单位长度时，球体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密度函数。,固态金属 原子 在某一平衡位置 热振动 因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离（点阵常数

4、）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。 但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。 这是由于当金属转变为液态时，液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。 现象分析：1、连续，2、有峰，3、峰位,返回,r观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离 三维空间相当于球体的半径,半径增减一个单位长度，球体内原子个数变化值 （r）为密度函数,图1-21 700液态铝中原子密度分布线,3个特征,可见液

5、态原子分布曲线是介于 曲线与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。 其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其配位数与固态时相当。 第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。 当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列进入无序状态。 表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。,液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团（图1-22）。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属结构具有如下特点： l）液态金属是由

6、游动的原子团构成。 2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏。 3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。,4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。 金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶； 金属从一种固

7、态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。,图1-22 液态金属结构示意图,返回,金属熔化后，因体积的膨胀而部分地破坏了原子的规则排列。 由于原子的热运动增强，在原子团之间和原子团内部造成很多“缺位” 正是这种缺位而使液体的体积增大，体积的增大量应等于某瞬时所有缺位体积总和 。,液体状态方程,设0为形成一个“缺位”时体积，数值上等于逃逸的一个原子或原子团的体积；N为“缺位”的总数，则金属在熔化后的体积增量 为： 式中：0 金属没有“缺位”的真实体积； 金属熔化后的体积。,缺位是晶格类型的函数。 假设没有缺位的液态金属总原子或总原子团数为N，根据Boltzmann原理，可得出： 式中 U形成缺位所需的能 量（即蒸发潜热）； kBoltzmann常数。,如果缺位的尺寸大小一样，则为形成缺位所需的能量相等。而本身则取决于对液态金属所施加的压力： U0在没有外界压力时，为形成缺位所需的能量； p 外界施加的压力。,因此，金属熔化后体积的增大量与温度和压力的关系是： 该式是建立在缺位原理基础上的液体状态方程式，适用于温度接近熔点的液态金属。 对于很高温度下发生的液/气转变，则关于缺位的概念就失去了其物理意义和几何意义。 由上式可见 压力P 缺位数 液体体积V ,研究发现，在把压力提高至20