液态金属的结构与性质

四面体
八面体 四方十二面体
三角棱柱多面体
阿基米德反棱柱多面体
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（二）、液体的缺陷模型
• 微晶模型： 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成 ，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵 ，这些微晶体之间以界面相连接
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空穴模型： 金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大 量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有 序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从 而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数 量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小
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一、液态金属的粘度
1. 定义 粘度系数
dV X
dy
2. 物理意义： 反映液体内摩擦的大小
Z
o
τ
X
δ
V1
V2
V3
V4
V5
......
外力作用于液体表面各原子层速度 Y
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• 运动粘度为动力粘度除以密度，即：
/
• 运动粘度ν—— 适用于较大外力作用下的水力学流 动，此时由于外力的作用，液体密度对流动的影响 可以忽略。
Tb (0C)
Hb (kcal/mol)
Al
660
2.50 2480 69.6
Au 1063 3.06 2950 81.8
Cu 1083 3.11 2575 72.8
Fe 1536 3.63 3070 81.3
Zn
420
1.73
907
27.5
Cd
321
1.53
765
23.8
Mg 650
2.08 1103 32.0
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气体 液体 晶体
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• 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
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• 径向分布函数 — RDF ：
(radical distribution function） RDF = 4πr 2ρo g(r)
Hb / Hm
27.8 26.7 23.4 22.4 16.0 15.6 15.4
表明熔化时只有部分原子键被破坏
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三、 液态金属结构的理论模型（自学部分 ）
（一） 无规密堆硬球模型 （二） 液态金属结构的晶体缺陷模型 （三） 液体结构及粒子间相互作用的理论描述
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（一）无规密堆结构中五种多面体间隙
第一章 液态金属的结构与性质
§1.1 液态金属的结构 §1.2 液态合金的性质 §1.3 液态金属的充型能力
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§1.1 液态金属的结构
一 、 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 二 、 由物质熔化过程认识液体结构 三 、 液态金属结构的理论模型 四 、 实际金属的液态结构
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一、气体、液体、固体的衍射特征
位错模型： 液态金属可以看成是一种被位错芯严重破
坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不
含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而
变成液体。
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四、 液态金属的结构特征
“能量起伏” —原子间能量不均匀性 • “结构起伏”—液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 • “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间
的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子 容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表 现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。
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§1.2 液态金属的性质
概述
当液态金属在外力作用下流动时，由于分子间存 在内聚力，因此使液体内部产生内摩擦力，以阻 碍液层间的相对滑动。液体的这种性质成为粘滞 性，用黏度表征 液态金属的黏度对反应速度、气体和杂质的排出、流 动性等有重要影响，因此黏度关系到铸件的成形质量
• 动力粘度η—— 在外力作用非常小的情况下适用， 如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力
粘度系数η有关。
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2.粘度的影响因素
粘度数学模型
2k3T0e
xp kU BT
粘度η随原子间结合能U按指数关系增加
液K体b的—原—子之Bo间l结zm合a力n越n大常，数则；内摩擦阻力越大，
表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少 。
稍高于熔点时液态碱金属（Li、 Na、 K、Rb、 Cs）的径向分布函数 ( RDF )
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RDF= 4πr2ρog(r), atoms /Å
RDF 第一峰之下的积分 面积即所谓配位数 N1
（
r, Å
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配位数N1：参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数
近
Sn
complex
505
2.4
13.8
Ga
complex
303
-2.9
18.5
于
N2
-
63.1
7.5
2.7
固
Ar
-
83.78
14.4
3.36
体
CH4
-
90.67
8.7
2.47
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表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热 (Hb)
Element
(Hb /
Tm (0C)
Hm (kcal/mol)
气体、液体、固体的结构特点
气态结构
液态结构
固态结构
液固体态：结构长：程平无移序、( 不对具称备性平特移征、对（称长性程) 有序）
气态结构 ：近完程全有序无(序“为游特荡”征着的局域有序的原子集团
，
液体结构表现精品出课件局域范围的有序性)
一、气体、液体、固体的衍射特征
液态金属的衍射结构参数
• 偶分布函数 g(r) • 平均原子间距 r1 • 径向分布函数 • 配位数 N1
rm
N1
4g(r)r2dr 0
r0
求法：RDF第一峰之下的积分面积；
意义：N1 与 r1 均描绘了液体的原子排布情况
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二、 由物质熔化过程认识液体结构
表 表 1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS 明
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
液
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
2.6
7.03
体
Sc
bcc
302
2.6
6.95
原
Fe
bcc/fcc
1809
3.6
7.61
子
Al
fcc
931
6.9
11.6
Fra Baidu bibliotek
Ag
fcc
1234
3.51
9.16
间
Cu
fcc
1356
3.96
9.71
距
Mg
hcp
924
2.95
9.71
接
Zn
hcp
692
4.08
10.7
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• 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（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) = ρo g (r)
• 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征