第1章 液态金属结构与性质

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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
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《材料成形基本原理》（第3版） 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(物体膨胀的另一原因 ) T越高，空穴越多
V4 V5 Z
Fra Baidu bibliotek
τ
δ
V3 V1 V2
X
......
Y
外力作用于液体表面各原子层速度 合肥工业大学材料科学与工程学院制作
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《材料成形基本原理》（第3版）
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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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《材料成形基本原理》（第3版）
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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
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《材料成形基本原理》（第3版）
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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。
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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-
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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
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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）
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二、 液体的表观特征
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一方面，液态金属中处于热运动，不同原子能量有高有低， 同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低。这种 现象称为“能量起伏”。另一方面，液态金属是由大量不 停“游动”着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构， 团簇周围是一些散乱无序的原子。这些原子团簇不断地分 化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从 某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团 簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子 团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量 都随时间和空间发生着改变，这种现象称为“结构起伏”。
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《材料成形基本原理》（第3版）
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三、 液态金属结构的理论模型
（一） 无规密堆硬球模型
（二） 液态金属结构的晶体缺陷模型
（三）综合模型 （四）液体结构及粒子间相互作用的理论描述 （五）实际液态金属的微观特点
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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)
dW ( R) F ( R0 ) dR
0
R R0
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。
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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)
图1-1 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
——分子不停地作无规律运动
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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。
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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对于“纯金属” ：总存在大量杂质原子。
如：8N纯铁（分析纯只能达5N），则每
1cm3铁液中杂质原子数约相当于1015数量级。 对于合金，F(A-A、B-B)＞F(A -B)： 则A-A、 B-B原子聚集； F(A -B)＞F(A-A、B-B)：液体中形成新的化 学键 A-B原子聚集
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。
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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
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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、 由物质熔化过程认识液体结构 三、液态金属结构的理论模型
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在特定的温度下，虽然“能量起伏”和 “结构起伏”的存在，但对于某一特定的液 体，其团簇的统计平均尺寸是一定的。
然而，原子团簇平均尺寸随温度变化而变 化，温度越高原子团簇平均尺寸越小。
第四节 液态金属的充型能力
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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
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《材料成形基本原理》（第3版）
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1. 液体粘度的定义
粘度系数---简称粘度(动力学粘度η)，是 根据牛顿提出的数学关系式来定义的： o d VX dy
τ —— 平行于X方向作用于液体表面 表述为：液体流动的速度梯度 dVX/dy 粘度的物理意义可视为：作用于液体表
面的应力 τ大小与垂直于该平面方向上 与剪切应力 τ成正比。 （ X-Z 面） 的外加剪切应力， 的速度梯度的比例系数。 通常条件下，所有的液态金属符合牛顿 V X——液体在X方向的运动速度， 液体粘度量纲为[M / LT]，常用单位 定律，被称为牛顿液体。 dV 表示沿 X/dy 为 Pa· S 或—— MPa· S。 Y方向的速度梯度。
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，不同于气体）； 液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。
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（四） 实际液态金属的微观特点
对于“理想液体”,存在： “能量起伏” 及“结 构起伏” 对于实际液体, 还存在浓度起伏
“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
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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
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径向分布函数
—
RDF
RDF = 4πr 2ρo g(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
rm 2 4 g ( r ) r dr 0
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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。
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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
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当R→∞时， F→0。 当两原子靠近时，原子间产生吸引力
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双原子模型
(合力 F<0 )增大，到达R=R1时，F为最
《材料成形基本原理》(3Ed-2016)
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课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛
下篇 陈文琳
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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
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第三节
液态金属的性质
一、液态金属的粘度 二、液态金属的表面张力
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一、液态金属的粘度
r0
N1 与 r1 一起，被认为是液体最重要的结构参数。
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二、
由物质熔化过程认识液体结构
双原子模型
两个原子间：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，
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《材料成形基本原理》（第3版） 特定T，R=R0 ，W=W0 T升高，能量从W0升高到 W1、W2、W3、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）。
（一） 液态金属的粘度及其影响因素 （二） 粘度在材料成形中的意义
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（一）液态金属的粘度及其影响因素
1. 液体粘度的定义
2. 粘度的影响因素
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