液体金属的基本理论.ppt

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）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200Mpa300 Mpa大气压时，液体体积收缩的速度要比进一步在增大压力使液体体积收缩的快。这证明了液体具有“疏松性”，而这种疏松性质只有用缺位理论来解释。根据液体状态方程式，当压力p时，则V=V0。这是因为去除了“缺位”，增加不在增加了。,