第2章金属熔体-10级

模型Ⅱ
• 液态金属中的原子相当于紊乱的密集球堆，这里既没有晶 态区，也没有能容纳其他原子的空洞。
• 在紊乱密集的球堆中，有着被称为“伪晶核”的高致密区。 • 模型II突出了液态金属原子的随机密堆性。
液态金属的结构起伏
液态金属中的“晶态小集团”或 “伪晶核”都在不停地变 化，它们的大小不等，时而产生又时而消失，此起彼伏。 结构起伏的尺寸大小与温度有关。温度愈低，结构起伏的 尺寸愈大。液态金属的结构起伏
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 5
固溶体：当有其它固体原子溶入某种固体 置换型固溶体 —— 各组分的原子在晶格结点位相互置换，
置换的异种原子的半径差别不大； 间隙型固溶体 —— 组分的原子占据了本体晶格的空隙位，
两种原子的半径差别很大。 如：碳原子占据在铁晶体结点间的空隙位。
结论I 在熔点附近液态金属和固态金属具有相同的结合键和近似的原子
间结合力； 原子的热运动特性大致相同，原子在大部分时间仍是在其平衡位
(结点)附近振动，只有少数原子从一平衡位向一平衡位以跳跃 方式移动。
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 8
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 4
1.2.1金属晶体的结构
• 晶体：由占有晶体整个体积的、在三维方向上以一定距离呈现周期 而重复的有序排列的原子或离子构成——物质结构的远程有序性。 基本概念：单位晶胞、晶格常数、配位数、晶格结点、金属键 典型的晶体结构：面心立方、体心立方和密堆六方 铁的结构：原子半径：1.2810l0 m， 三种晶型： Fe → Fe (1185 K) Fe → Fe (1667 K) Fe，Fe：体心立方晶格，配位数为8 Fe：面心立方晶格，配位数为12
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 2
1.1 概 述
• 冶金熔体的结构：指冶金熔体中各种质点(分子、原子或离 子)的排列状态。
• 熔体结构主要取决于质点间的交互作用能。 • 冶金熔体的物理化学性质与其结构密切相关。 • 相对于固态和气态，人们对液态结构，尤其是冶金熔体结
液态金属结构模型
模型 I
接近熔点时，液态金属中部分原子的排列方式与固态金属 相似，它们构成了许多晶态小集团。 这些小集团并不稳定，随着时间延续，不断分裂消失，又 不断在新的位置形成。 这些小集团之间存在着广泛的原子紊乱排列区。 模型I突出了液态金属原子存在局部排列的规则性。
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 12
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 13
2.金属熔体及其合金的物理性质
2.1 熔化温度 2.2 密度 2.3 粘度 2.4 导电性 2.5 熔体组分的扩散系数 2.6 表面性质与界面性质
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 9
金属
Al Mg Zn Cd Cu Au
表 1 金属液态和固态的结构数据比较
液态
固
原子间距／nm
配位数
原子间距／nm
0.296
10.6
0.286
0.335
10
0.320
0.294
11
0.265, 0.294
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 7
基本事实I (续) 金属液、固态的比热容差别一般在10%以下，而液、气态比热容 相差为20%~50%。 金属液、固态中的原子运动状态相近。 大多数金属熔化后电阻增加，且具有正电阻温度系数。 液态金属仍具有金属键结合
0.306
8
0.297, 0.330
0.257
11.5
0.256
0.286
8.5
0.288
态 配位数 12 12 6+6 6+6 12 12
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 10
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 11
基本事实II
液态金属中原子之间的平均间距比固态中原子间距略大， 而配位数略小，通常在 8~l0 范围内 熔化时形成空隙使自由体积略有增加，固体中的远距有 序排列在熔融状态下会消失而成为近距有序排列。
结论II
金属熔体在过热度不高的温度下具有准晶态的结构—— ✓ 熔体中接近中心原子处原子基本上呈有序的分布，与晶 体中的相同(保持了近程序)； ✓ 在稍远处原子的分布几乎是无序的(远程序消失)。
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 6
1.2.2 金属熔体的结构
基本事实I
金属的熔化潜热仅为汽化潜热的 3%~8% 对于纯铁，熔化潜热为15.2 kJ·mol1，汽化潜热是 340.2 kJ·mol1 液态金属与固态金属的原子间结合力差别很小。 金属熔化时，熵值的变化也不大，约为5~10 J·mol1·K1 熔化时金属中原子分布的无序度改变很小。 熔化时大多数金属的体积仅增加 2.5%~5%，相当于原子间 距增加 0.8%~1.6% 在液态和固态下原子分布大体相同，原子间结合力相近。
构的认识还很不够。 • 在接近临界温度时，液态与气态较接近。 • 在通常情况下，冶金熔体的结构和性质更接近于其固态。 • 不同的冶金熔体具有明显不同的结构和性质。
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 3
1.2 金属熔体的结构
• 1.2.1 金属晶体的结构 • 1.2.2 金属熔体的结构
第二章 金属熔体
• 1. 熔融金属及其合金的结构 • 2. 金属熔体及其合金的物理性质 • 3. 元素在金属熔体中的溶解和相互作用
2020/8/11 安徽工业大学 Anhui University of Technology 1
1. 熔融金属及其合金的结构
• 1.1 概述 • 1.2 金属熔体的结构