液态金属加工课件

2023/7/231哈尔滨工程大学材化学院2023/7/232哈尔滨工程大学材化学院主要内容：2023/7/233哈尔滨工程大学材化学院2.1.1液态金属加热时的变化6

—金属从规则的原子排列突变为紊乱的非晶质的过程，该过程中吸收的热量除了使体积膨胀做功外，还增加了系统的内能。实践证明，金属熔化从晶界开始。2熔化2023/7/237哈尔滨工程大学材化学院2023/7/238哈尔滨工程大学材化学院2023/7/239哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2310哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2311哈尔滨工程大学材化学院2.1.2液态金属的结构1如何研究液态金属的结构1）

间接法—

通过比较固液态和固气态转变的物理性质的变化判断。（1）体积和熵值的变化（2）熔化潜热和汽化潜热2）

直接法—X射线或中子线分析研究液态金属的原子排列。液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，其固态的排列方式基本

一致，但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热

运动增强。2023/7/2312哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2313哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2317哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2318哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2319哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2320哈尔滨工程大学材化学院22

（1）原子间仍保持较强的结合能，平均原

子间距增加不大；（2）原子排列在较小距离内仍具有一定规

律性，原子集团呈“近程有序排列”；（3）原子集团处在“能量起伏”状态；（4）原子集团处在“结构起伏”状态；

液体状态的结构有以下特点：24261200℃时液态金属原子的状态1500℃时液态金属原子的状态2液体状态方程2023/7/2335哈尔滨工程大学材化学院2.1.3液态金属的性质2023/7/2336哈尔滨工程大学材化学院12023/7/2337哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2346哈尔滨工程大学材化学院δ：一个原子的移动距离2023/7/2347哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2348哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2349哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2350哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2351哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2354哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2355哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2356哈尔滨工程大学材化学院2表面原子缺失使原子间距离拉大，而产生拉力。拉力使原子靠近，从而使表面缩小成为球形。同时拉力也保存下来。

由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面张力。这些表面张力的方向都与液面相切，并且与线段AB

垂直；它们大小相等，方向相反，分别作用在两部分液面上。

实验表明:表面张力的大小正比于线段AB的长度。表面张力系数：ffAB表面张力方向它们为什么不能沉下去？2023/7/2360哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2361哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2362哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2363哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23补充：弯曲液面的附加压力的产生Q点2023/7/2365哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2366哈尔滨工程大学材化学院32023/7/2367哈尔滨工程大学材化学院42023/7/2368哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2369哈尔滨工程大学材化学院2.2.1液态金属结晶热力学条件2023/7/2370哈尔滨工程大学材化学院结晶动力△GV=△HV-T△SV=△HV-T△HV

/Tm=△HV

(Tm-T)/Tm2023/7/2371哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2372哈尔滨工程大学材化学院2.2.2均匀形核及其形核率均匀形核是指在液体每处形核的概率都是一样的。2023/7/2373哈尔滨工程大学材化学院【补充】液态金属凝固，外层原子比内部原子所受束缚少些，因此具有较高的能量，故将之归为另一相—表面相（两条虚线中间者）。而内部原子基本为固态晶体排列。表面相由于能量高因而成为凝固的阻力，故尽量薄一些，以降低表面能。表面相r太小，则比表面积很大，表面能（结晶阻力）很大，占优势，故不能长大；只有r>r*,体相较大，比表面能有所下降，此时才能继续长大。2023/7/2375哈尔滨工程大学材化学院【补充】2023/7/2376哈尔滨工程大学材化学院N*:形成大于临界半径的晶核的数目，取决于△G*均;而△G*均取决于

能量起伏；f0:原子由液相到固相的净迁移率，取决于△GA（属扩散激活能）；表面相NsNL2023/7/2378哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2380哈尔滨工程大学材化学院2.2.3非均匀形核及其形核率在液体中，各处形核的概率不同，在杂质处优先形核。2023/7/2381哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2382哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2383哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2384哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2385哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2386哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2387哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2388哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2389哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2390哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2391哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2392哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2393哈尔滨工程大学材化学院这两个条件是等同的。2023/7/2394哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2395哈尔滨工程大学材化学院非均匀形核率2023/7/2396哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2397哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2398哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2399哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23100哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23101哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23102哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23103哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23104哈尔滨工程大学材化学院asac2023/7/23106哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23107哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23108哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23109哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23110哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23111哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23112哈尔滨工程大学材化学院多种衬底共存：在同一过冷度下，具有不同形核能力的物质，θ也不同，θ越小形核能力越强。形核能力不强的衬底，由于θ较大，使得f(θ)较大，则可能形核率低，当冷度变大使ΔW均变小，可以弥补f(θ)的变大，可以形核。θ0090018001½02023/7/23114哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23115哈尔滨工程大学材化学院临界晶核半径与过冷度成反比，因此增大过冷度，有利于细化晶粒。举例：①孕育剂含有直接作为形核的物质，即一些与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒，它们在液态金属中直接作为衬底形核。比如：高锰钢中加入锰铁、高铬钢中加入铬铁。②形核剂与液相中某些元素（最好是欲细化相原子）反应生成较稳定的的化合物而形核。例如：钢中的钛、钒就是通过形成能促进非均匀形核的碳化物和氮化物而

达到细化的目的。2023/7/23117哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23118哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23119哈尔滨工程大学材化学院采用熔融玻璃包裹合金熔液，使其不与大气接触，并能净化合金，防止非均有形核的一种获得合金熔液深过冷的方法。2023/7/23136哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23137哈尔滨工程大学材化学院2.2.4纯金属液体的生长1形核后通过长大完成结晶过程熔化温度液相温度分布固相温度分布界面产生突起后的液、固温度分布当界面出现小突起时，液相温度曲线斜率变大，这样传出的热量增加；与此同时，固相温度曲线斜率变小，传出的热量减少，这样界面处就有多余的热量，这些多余的热量又把小突起熔化。由于固、液相均存在温度梯度，因此液相深处的热量传入向界面，到达界面后，又从界面传到固相中去。当凝固平衡时，传入界面的热量等于传出界面的热量。2023/7/23139哈尔滨工程大学材化学院22023/7/23143哈尔滨工程大学材化学院界面2023/7/23145哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23146哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23147哈尔滨工程大学材化学院表面相NsNLpppp2023/7/23149哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23150哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23151哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23152哈尔滨工程大学材化学院01AF2023/7/23153哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23154哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23155哈尔滨工程大学材化学院沉积位置数N沉积位置全部占据NA个沉积位置被占据表面原子配位数与体相不同x=NA/N2023/7/23157哈尔滨工程大学材化学院表面原子，在同层内的配位数η。当表层没有占满时，配位数变为：ηx表面原子同下层原子的配位数为A因此、总配位数为（ηx+A），即可理解为被（ηx

+A），跟原子束缚着，因此表层内每个原子结合能为：当表层铺满时，x=1,此时结合能为：体相原子配位数为υ2023/7/23159哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23160哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23161哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23162哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23163哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23164哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23165哈尔滨工程大学材化学院光滑界面生长形态2023/7/23170哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23171哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23172哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23173哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23174哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23175哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23176哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23177哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23178哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23179哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23180哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23181哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23182哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23183哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23185哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23186哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23187哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23188哈尔滨工程大学材化学院表面原子跳跃时，扩散系数为：L为跳跃长度，：为两次跳跃的时间2023/7/23189哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23190哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23191哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23192哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23195哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23196哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23198哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23200哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23201哈尔滨工程大学材化学院2023/7/23202哈尔滨工程大学材化学院2023/7/2