液体金属的基本理论ppt课件

1、1.1.1 液态金属根本实际液态金属的构造液态金属的构造 金属和合金资料的加工制备过程金属和合金资料的加工制备过程: : 配料、配料、 熔化熔化 凝固成型凝固成型 三个阶段。三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属配料是确定具有某些元素的各金属炉料的参与百分数；炉料的参与百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；成分的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，晶过程， 它决议着金属资料的它决议着金属资料的微观组织特征。微观组织特征。 液相成型液相成型液相有哪些特征？液相有哪些特征？为什么为什么 内部构造内部构造

2、固态金属固态金属 按原子聚集形状分为按原子聚集形状分为 晶体与非晶体。晶体与非晶体。晶体晶体凡是原子在空间呈规那么的周期性反凡是原子在空间呈规那么的周期性反复陈列的物质称为晶体。复陈列的物质称为晶体。单晶体单晶体在晶体中一切原子陈列位向一样者称在晶体中一切原子陈列位向一样者称为单晶体为单晶体多晶体多晶体大多数金属通常是由位向不同的小单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。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，其振动频在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为率约为1013 次次/s。液态金属？液态金属？液态金属中的原子和固态时一样，均不能自在运液态金属

3、中的原子和固态时一样，均不能自在运动，围绕着平衡结点位置进展振动动，围绕着平衡结点位置进展振动 但振动的能量和频率要比固态原子高几百万但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。倍。液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。和流动性。液相构造？液相构造？1. 物理性量变化物理性量变化体积只膨胀体积只膨胀37， 即原子间距平均只增大即原子间距平均只增大11.5金属从金属从k到熔点的固态体积膨胀几乎都是到熔点的固态体积膨胀几乎都是7，因此金，因此金属熔化时的体积膨胀不超越固态时的体积变化总量，液态属熔化时的体积膨胀不超越固态时的体积变化总量，液态金

4、属的构造不能够完全无序！金属的构造不能够完全无序！金属金属SnZnMgAlAgCuFeTi(VL-VS)/ VS2.66.94.26.64.994.24.43.2v几种常用金属熔化时的体积变化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熔化潜热只占气化潜热的37 见表见表1 这就可以以为金属由固态变成液态时，这就可以以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，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只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的添加，阐明液态中原子热运动有较多的添加，阐明液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。的混乱程度，与

5、固态相比有所增大。 比热容，与固态相比虽然稍大一些，比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有一样的数量级。但具有一样的数量级。 表表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热X射线衍射分析射线衍射分析 图图1-21是由是由X射线衍射结果整理而得的原子射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。密度分布曲线。 横坐标横坐标r为观测点至某一恣意选定的原子参为观测点至某一恣意选定的原子参考中心的间隔，对于三维空间，它相当于以所选原考中心的间隔，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。子为球心的一系列球体的半径。 纵坐标纵坐标 表示当半径增减一个单位长度时，表示当半径增减

6、一个单位长度时，球体球壳内原子个数的变化值，其中球体球壳内原子个数的变化值，其中r称称为密度函数。为密度函数。)(42rr 固态金属固态金属 原子原子 在某一平衡位置在某一平衡位置 热振动热振动 因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定间隔点因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定间隔点阵常数的垂线，每一条垂线都有确定的位置阵常数的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值，与所选原和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。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延续曲线

7、。延续曲线。 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形状之中，而且原子跃迁频率很高，息万变的热振动和热运动的形状之中，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只是表示衍射只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。 景象分析：景象分析：1、延续，、延续，2、有峰，、有峰，3、峰位、峰位3个特征 可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于 曲线与固态时的分布曲线与固态时的分布曲线竖直线之间作

8、波浪形的变化。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。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，而且随着着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。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间隔时当它与所选原子相距太远的间隔时,原子陈列进入无序形状。原子陈列进入无序形状。 阐明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与阐明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序陈

9、列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的其固态时的有序陈列相近，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。增多，原子配位数稍有变化。024r液态金属的构造特征液态金属的构造特征液态金属内存在近程有序的原子集团图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。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消逝。所以，液态金属构造具有如下特点：的，瞬时出现又瞬时消逝。所以，液态金属构造具有如下特点： l液态金属是由游动的原子团构成。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剧烈，原子所具有的能量各不一样，且瞬液态金属中的原子热运动剧烈，原子所具有的能量各不一

10、样，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏。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，称为构造起伏。起彼伏的，称为构造起伏。 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，这种景象称为成分起伏。同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种景象称为成分起伏。 金属由液态转变为固态的凝团过程，本质上就是原子由近程有序形金属由液态转变为固态的凝团过程，本质

11、上就是原子由近程有序形状过渡为长程有序形状的过程，从这个意义上了解，金属从一种状过渡为长程有序形状的过程，从这个意义上了解，金属从一种原子陈列形状晶态或非晶态过渡为另一种原子规那么陈列形原子陈列形状晶态或非晶态过渡为另一种原子规那么陈列形状晶态的转变均属于结晶过程。状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。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。 图图1-22 液态金属构造表示图液态金属构造表示图 金属熔化后，因体积的膨胀而部分地破坏了原子的规金属熔

12、化后，因体积的膨胀而部分地破坏了原子的规那么陈列。那么陈列。 由于原子的热运动加强，在原子团之间和原子团由于原子的热运动加强，在原子团之间和原子团内部呵斥很多内部呵斥很多“缺位缺位 正是这种缺位而使液体的体积增大，体积的增大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一切缺位体积总和量应等于某瞬时一切缺位体积总和 。 液体形状方程液体形状方程 设设0为构成一个为构成一个“缺位时体积，数值上等于逃缺位时体积，数值上等于逃逸的一个原子或原子团的体积；逸的一个原子或原子团的体积；N为为“缺位的总数，缺位的总数，那么金属在熔化后的体积增量那么金属在熔化后的体积增量 为：为： 式中：式中：0

13、 金属没有金属没有“缺位的真实体积；缺位的真实体积； 金属熔化后的体积。金属熔化后的体积。N V-V00 缺位是晶格类型的函数。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假设没有缺位的液态金属总原子或总原子团数为N N，根据根据BoltzmannBoltzmann原理，可得出：原理，可得出： 式中式中 U U构成缺位所需的能构成缺位所需的能 量即蒸发潜量即蒸发潜热；热； k kBoltzmannBoltzmann常数。常数。KTUeNN/ 假设缺位的尺寸大小一样，那么为构成缺位所需的能假设缺位的尺寸大小一样，那么为构成缺位所需的能量相等。而量相等。而本身那么取决于对液态

14、金属所施加的压本身那么取决于对液态金属所施加的压力：力： U0 U0在没有外界压力时，为构成缺位所需的在没有外界压力时，为构成缺位所需的能量；能量； p p 外界施加的压力。外界施加的压力。 00pvUU 因此，金属熔化后体积的增大量与温度和压力的关系是：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根底上的液体形状方程式，适用该式是建立在缺位原理根底上的液体形状方程式，适用于温度接近熔点的液态金属。于温度接近熔点的液态金属。 对于很高温度下发生的液对于很高温度下发生的液/ /气转变，那么关于缺位的概念气转变，那么关于缺位的概念就失去了其物理意义和几何意义。就失去了其物理意义和几何意义。 由上式可见由上式可见 压力压力P P 缺位数缺位数 液体体积液体体积V V KTpvUooeNvVV/ )(00 研讨发现，在把压力提高至研讨发现，在把压力提高至200Mpa300 Mp