材料成形基本原理配套教学课件第3版祖方遒第1章 液态金属结构与性质.ppt

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1、第一章液态金属的结构与性质第一节引言第二节液态金属的微观结构第三节液态金属的性质第四节液态金属的充型能力第一节引言一、液体的分类二、液体的表观特征三、液体的结构、性质与材料成形的关系一、液体的分类按液体的构成类型，可分为：原子液体（如液态金属、液化惰性气体）分子液体（如极性与非极性分子液体），离子液体（如各种简单的及复杂的熔盐）二、液体的表观特征具有流动性（液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状（类似于气体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子之间的结合力没有固体中强（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面（类似于固体，不同

2、于气体）；液体可压缩性很低（类似于固体，不同于气体）。液体性质物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等；物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等；热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。三、液体的结构和性质与材料成形的关系液体的界面张力、潜热等性质凝固过程的形核及晶体生长的热力学熔体的结构信息凝固的微观机制液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、结晶潜热、粘度等性质成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式热力学性质及反应物和生成物在液相中的扩散速度铸造合金及焊接熔池的精炼第二节液态金属的微观结构一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征二、由物质熔化

3、过程认识液体结构三、液态金属结构的理论模型一、液体与固体、气体结构比较及衍射特征晶体：平移、对称性特征（长程有序）——原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动。气体：完全无序为特征——分子不停地作无规律运动液体：长程无序——不具备平移、对称性；近程有序——相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性。液态金属的衍射结构参数偶分布函数g(r)与平均原子间距r1径向分布函数与配位数N1偶分布函数g(r)物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率。换言之，表示离开参考原子

4、（处于坐标原点r=0）距离为r位置的原子数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。ρ(r)=ρog(r)图1-1气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征平均原子间距r1：对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。r=r1表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。径向分布函数—RDFRDF=4πr2ρog(r)表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。配位数N1：表示参考原子周围最近邻（第一壳层）的原子数。配位数N1的求法：RDF第一峰之下的积分面积N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数。二、　由物质熔化过程认识液体结构两个原子间

5、：相互作用力F，相互作用势能W与原子间距离R的关系如图所示。图a中虚线为引力与斥力，它们的综合作用即为两原子间的相互作用力F（合力）。两个原子的相互作用势能W(R)的曲线如图b所示双原子模型双原子模型当两原子靠近时，原子间产生吸引力(合力F<0)增大，到达R=R1时，F为最大吸引力（能量曲线拐点）。而后，吸引力随距离而减小，当达到R＝R0时，相互作用力等于零（F＝0），此时R0为平衡距离。(能量最低，状态稳定)当R→∞时，F→0。当距离小于平衡距离R0时，出现排斥力(F>0)，并随距离的继续缩短而迅速增大。特定T，R=R0，W=W0T升高，能量从W0升高到W1、W2、W3、

6、W4，其间距（振幅中心位置）将由R0增大到R1、R2、R3、R4。原子热振动：沿势能曲线势能与动能间发生转换。原子间距离将随温度的升高而增加，即产生热膨胀，但并不改变原子相对排列（熔点以下）。双原子模型势能曲线极不对称:向右是水平渐近线，向左是垂直渐近线每个原子在三维方向都有相邻原子，频繁相互碰撞而交换能量。每时每刻都有一些原子能量超过(或低于)原子平均能量(“能量起伏”)高能原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在新的位置上作微小振动。一旦有机会获得大的能量，又可以跑到新的位置上。(内蒸发)原子离开点阵则留下了自由点阵——空穴(物体膨胀的另一原

7、因)T越高，空穴越多T至熔点时，空穴骤然增多。F-R曲线上，R超过R1，原子间的引力急剧减小，从而造成原子结合键突然破坏，金属则从固态进入熔化状态。二、　由物质熔化过程认识液体结构物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大（见表1-1），金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）为3~５%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。金属熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多（表1-2），为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。三、