材料成型原理1.1液态结构.ppt

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1、1液态结构和物理性质StructureandPropertiesofLiquidMaterials主要内容1.1液态结构和模型1.2液态的物理性质1.3黏滞性1.4界面现象1.1液态结构和模型凝固过程从液态开始。金属和合金液的结构对凝固过程和组织有重要影响。合金液的预处理，如过热处理、微合金化处理等可以改变液体的状态与结构，从而影响凝固组织。科学上对物质的液体状态的认识，远远落后于气态和固态。对气态结构的认识(1)在十八、十九世纪，气体状态可清晰地用数学式子表示。理想气体状态方程：PV=nRT（R-理

2、想气体常数）理想气体中原子或分子被看成是一些弹性小球，在低压和中压下，运动距离平均值与其尺寸相比是很大的，故相互作用力可忽略。高压下，质点间相互作用力和所占体积不可忽略，进行修正。对气态结构的认识(2)范德瓦尔（VanderWaals’）公式：(P+a/V2)(V-b)=RTP-压力V-摩尔体积R-通用气体常数T-温度a/V2-考虑原子和分子间相互作用力b-与原子或分子体积有关的常数对固态结构的认识二十世纪初，衍射技术的发现，固态结构被清楚认识。在晶体物质的结构中，原子或原子团在空间是按规则的几何图形

3、排列的—长程有序（long-rangeorder）。原子在原子中心位置不断进行热振动，在温度为0K时，原子“停止”运动。在固态时必须考虑各原子间相互作用。固态结构图固态结构图教材p9图1.4金属原子的刚球密堆积结构模型案例1.4：铌酸锂（LiNbO3）的晶体结构液态结构的研究方法液态结构研究的困难：相邻原子间作用力必须考虑；但原子的相对位置不能明确规定。因为通常任一原子其四周的原子排列状况，与别的原子相比，总有所不同。研究方法有两种：间接方法、直接方法1、实验依据物态转变发生的性质变化（1）通常，大多

4、数金属熔化有约3-5%的体积膨胀。表明原子间距增加1-1.5%。（2）汽化潜热Lb远大于熔化潜热Lm。Lb/Lm=15-28，以铝为例，铝的配位数是12，汽化需破坏12个金属键，消耗Lb.（3）熔化时熵增大。表明原子排列混乱程度增加，有序性下降。实验数据液体结构定性推论熔化时，约3-5%的体积膨胀。原子间距增加1-1.5%,排列松散Lb>>Lm与固态相比，金属原子的结合键破坏很少部分熔化时熵增大排列的有序性下降，混乱度增加气、液、固相比较，液态金属结构更接近固态2、衍射实验分析X-射线和中子射线对液体

5、进行衍射研究，测定结果一致。讨论X-射线衍射法所得的结果。衍射图像：晶体：位置明确的清晰线条或分布规则的亮点。液体：少数几条宽而模糊的衍射带或漫射光环。表明：液态中有一些紊乱分布的原子，造成对X射线的散射，晶体质点排列规整，在平衡位置做热振动。径向分布函数radialdistributionfunction根据液体的X射线衍射或中子衍射图可作出，它能够定量地描述一定温度下液体分子的分布，常用来描述液态结构。以任意一个位于中心静止位置的原子为参考原子。对于球形质点，径向分布函数r，距参考原子的距离；nr

6、，r+dr，半径为r和r+dr之两球面间的壳层内的原子中心数；ρ（r），r处单位体积内的原子数目，numberdensity。根据X射线衍射数据计算的原子分布曲线根据X-衍射实验结果与中子射线衍射结果一致所有液体衍射图形有相同特征原子分布曲线衍射强度正比于质点密度，作r-(4πr2ρ)dr图；距参考原子半径为r，厚度dr的球壳的原子密度为ρ，有(4πr2ρ)dr个原子造成衍射三种线：固体密度、液体密度和平均密度线（相当于气体）。-以理想纯净状态的钠为例ρ=常数,分布曲线为抛物线；即平均密度线；液体原子

7、分布参考原子半径范围内密度为零紧邻第一壳层中心密度最大，然后降到最小，再升到第二个较大值r再增大,与平均密度线重合，原子排列已无序，无过渡结构区；衍射研究的基本结论用近程(有)序Short-rangeorder概括衍射图的特征，这是理解液体结构的重要概念；这种“有序”存在几个原子或分子直径范围，随温度升高而缩小；图形特征相同，配位数近似，表明不同金属液态结构比固态有更大的相似性；近程(有)序Short-rangeorder近程(有)序：在几个原子间距范围内，质点的排列与固态相似，排列有序。近程有序是理

8、解液体结构的重要概念。液态金属配位数邻近参考原子密集排列的第一球壳原子数。即r-原子密度图中第一单峰下的面积。液态和固态金属的结构数据的对比教材p11表1.1金属名称固态液态晶格类型原子间距nm配位数平均原子间距nm配位数Al面心立方0.2861120.29611Au0.288120.28611Zn密排六方0.2650.294660.29411Cd0.2970.330660.3068Na[7]体心立方8，610.6Bi[2]菱形（三方）0.3090.34