材料成形理论基础ppt文档
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液态金属中除热震动外，瞬 息万变的跳跃
衍射结构为一条条带
第一个峰与固态极为相近
液态金属中原子的排列几个 原子间距的范围内与固态的排 列方式基本一致
700oC时液态Al中原子分布曲线
稍高于熔点时液态碱金属的径向分布函数
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
液态金属结构的理论模型
（一）无规密堆硬球模型（Random Close Packing)
W-因原子不规则而产生的势能
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔点附近
➢晶粒之间的结合极大破坏 ➢晶粒之间更容易产生相对运动 ➢晶粒内部频繁跳跃、转移 ➢晶粒逐渐失去固定的形状和尺寸
具有流动的液体
提供能量进一步破坏 晶粒转变为小的原子集团
金属熔化过程及金属的液态结构研究方法
固态向液态转变时能 量的变化
活化原子
原子能量的统计分部
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
2.1.2 液态金属的熔化
金属的熔化
热震动加剧, 振幅增大，原子间平均距离增大，尺寸膨胀 能量达到及大于Q的活化原子增多，空位数增加、晶界产生移动
熔化时不要求所有或 绝大部分原子能量都 达到或大于Q值
熔化从晶界开始
熔化从晶界开始 ➢ 晶界上原子的排列方式不规则 ➢ 原子偏离平衡位置 ➢ 原子势能高 E>Q-W
EM
3 kT 2
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
n 能量等于或大于能量Q的原子数 nNeQ/kT
能量等于或大于能量 nQ E 的原子数 Q E
nQEnQeE/k T
总有原子能克服势垒， 离开 平衡位置， 留下空位
g(x)=1该位置的原子数密度等于整体系统的平均 数密度
气体：偶分布函数在任何位置均相等，呈一条直 线
晶态固体：原子特定方式周期排列，g(r)以相应 的规律呈分立的若干尖锐峰。
液态：g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子 间距后趋于直线，原子集团半径只有几个原子间 距大小
非晶固态：与液态相似，但是往往以第二峰劈裂 为特征。
材料成形理论基础
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
内容：
了解固态金属的熔化过程 对比固—液态的结构 分析液态金属的结构特点 液态金属的主要性质
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动 离子（正电荷）+ 共有电子 库伦引力 正离子间的库伦斥力
3070 2595 2450 1103 906
16.161 13.021 10.676
9.043 6.698
354.287 305.636 284.534 131.758 116.727
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔化后在不太高的过热温度下，液态结构类似固 态，而不是类似气态，只是原子的热运动大为加 剧。
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
金属熔化过程认识液态金属结构
固态到气态的升华热（原子间全部破坏所需的能量），熔化 潜热仅为升华热的3-7%，熔化时原子间的结合仅破坏了百 分之几
熔点温度/℃
沸点/℃ 熔化潜热/KJ/mol 汽化潜热/KJ/mol
Fe Cu Al Mg Zn
1535 1083 660.2 651 419.5
加热时原子间距和原 子势垒的变化
B原子所受A原子作用力、作用力 引起的势能与距离的关系
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
高于绝对零度，原子在平衡位 置为中心作三维热运动
原子的停留时间
AeQ/KT
原子的平均能量（决定于温度）
液体结构中存在五种间隙多面体类型
四面体：
73%
八面体：
20%
三角棱柱多面体：
3%
四方十二面体：
3%
阿基米德反棱柱多面体 1%
➢多面体相互关联，彼此分享相接触的多边形 面及其交线，构成了液体的空间网络拓扑结构。
➢液态结构是单一的、随时间和空间变化相， 多面体的体积和比列也随温度而连续变化
(a)四面体 (b)八面体 (c)三角棱柱多面体 (d)四方十二面体 (e)阿基米德反棱柱多面体
间接方法 固液转变的一些物理性质变化
直接方法 液态金属的X线结构分析 液态中原子的排列情 况
Qs—固态激活能 QL----液态激活能 L------熔化潜热
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
金属熔化过程认识液态金属结构
固态到气态 体积无限膨胀
固态到液态，比容仅增加3-5%，原子间的距离增加1-1.5%， 原
温度接近汽化温度时(Tc)，液态金属结构与气体金 属结构难以区分，说明此时液态的结构更接近气体
第二章 液态金属基本性质与凝固
X-射线结构分析
热力学、动力学
偶分布函数 g(r)
粒子数为N、体积为V的任一体系
距某一参考粒子r处找到另一粒子的几率。 表示离开参考原子距离为r位置的数密度ρ(r) 对于平均数密度ρ0（=N/V)的相对偏差
子间具有较大的结合能，原子的分布仍具有一定的规律性
Fe Cu Al Mg Zn
晶体结构
f.C.C/bC.C f.c.c f.c.c h.c.p h.c.p
熔点温度/℃
1535 1083 660.2 651 419.5
体积变化/%
0.4-4.4 4.2 6.6 4.2 6.9
熵值变化/J.K-1
2.0 2.3 2.75 2.32 2.55
假设：
✓液态是匀质的、密度集中的、排列紊乱的原子的堆积体
✓无晶体区域 无大到足以容纳另一个原子的空穴
具体操作
统计单个球接触点的数目 确定该结构的平均配位数 结果：
rm
N 40g(r)r2dr
r0
➢紊乱堆积的球堆中存在高度致密区
➢其它地区钢球的排列紊乱
➢钢球之间有空隙
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
径向分布函数(Radical distribution function(RDF))
4r2dr
球面上原子密度
固态金属中原子的停留时间 长，在衍射过程中主要是在平 衡位置上作热运动，衍射结果 是一条条清晰线
衍射结构为一条条带
第一个峰与固态极为相近
液态金属中原子的排列几个 原子间距的范围内与固态的排 列方式基本一致
700oC时液态Al中原子分布曲线
稍高于熔点时液态碱金属的径向分布函数
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
液态金属结构的理论模型
（一）无规密堆硬球模型（Random Close Packing)
W-因原子不规则而产生的势能
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔点附近
➢晶粒之间的结合极大破坏 ➢晶粒之间更容易产生相对运动 ➢晶粒内部频繁跳跃、转移 ➢晶粒逐渐失去固定的形状和尺寸
具有流动的液体
提供能量进一步破坏 晶粒转变为小的原子集团
金属熔化过程及金属的液态结构研究方法
固态向液态转变时能 量的变化
活化原子
原子能量的统计分部
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
2.1.2 液态金属的熔化
金属的熔化
热震动加剧, 振幅增大，原子间平均距离增大，尺寸膨胀 能量达到及大于Q的活化原子增多，空位数增加、晶界产生移动
熔化时不要求所有或 绝大部分原子能量都 达到或大于Q值
熔化从晶界开始
熔化从晶界开始 ➢ 晶界上原子的排列方式不规则 ➢ 原子偏离平衡位置 ➢ 原子势能高 E>Q-W
EM
3 kT 2
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
n 能量等于或大于能量Q的原子数 nNeQ/kT
能量等于或大于能量 nQ E 的原子数 Q E
nQEnQeE/k T
总有原子能克服势垒， 离开 平衡位置， 留下空位
g(x)=1该位置的原子数密度等于整体系统的平均 数密度
气体：偶分布函数在任何位置均相等，呈一条直 线
晶态固体：原子特定方式周期排列，g(r)以相应 的规律呈分立的若干尖锐峰。
液态：g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子 间距后趋于直线，原子集团半径只有几个原子间 距大小
非晶固态：与液态相似，但是往往以第二峰劈裂 为特征。
材料成形理论基础
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
内容：
了解固态金属的熔化过程 对比固—液态的结构 分析液态金属的结构特点 液态金属的主要性质
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动 离子（正电荷）+ 共有电子 库伦引力 正离子间的库伦斥力
3070 2595 2450 1103 906
16.161 13.021 10.676
9.043 6.698
354.287 305.636 284.534 131.758 116.727
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
熔化后在不太高的过热温度下，液态结构类似固 态，而不是类似气态，只是原子的热运动大为加 剧。
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
金属熔化过程认识液态金属结构
固态到气态的升华热（原子间全部破坏所需的能量），熔化 潜热仅为升华热的3-7%，熔化时原子间的结合仅破坏了百 分之几
熔点温度/℃
沸点/℃ 熔化潜热/KJ/mol 汽化潜热/KJ/mol
Fe Cu Al Mg Zn
1535 1083 660.2 651 419.5
加热时原子间距和原 子势垒的变化
B原子所受A原子作用力、作用力 引起的势能与距离的关系
第二章 液态金属基本性质与凝固热 力学、动力学
§2.1 液态金属的基本性质
2.1.1 液态金属的结构 一、液态金属的热运动
高于绝对零度，原子在平衡位 置为中心作三维热运动
原子的停留时间
AeQ/KT
原子的平均能量（决定于温度）
液体结构中存在五种间隙多面体类型
四面体：
73%
八面体：
20%
三角棱柱多面体：
3%
四方十二面体：
3%
阿基米德反棱柱多面体 1%
➢多面体相互关联，彼此分享相接触的多边形 面及其交线，构成了液体的空间网络拓扑结构。
➢液态结构是单一的、随时间和空间变化相， 多面体的体积和比列也随温度而连续变化
(a)四面体 (b)八面体 (c)三角棱柱多面体 (d)四方十二面体 (e)阿基米德反棱柱多面体
间接方法 固液转变的一些物理性质变化
直接方法 液态金属的X线结构分析 液态中原子的排列情 况
Qs—固态激活能 QL----液态激活能 L------熔化潜热
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
金属熔化过程认识液态金属结构
固态到气态 体积无限膨胀
固态到液态，比容仅增加3-5%，原子间的距离增加1-1.5%， 原
温度接近汽化温度时(Tc)，液态金属结构与气体金 属结构难以区分，说明此时液态的结构更接近气体
第二章 液态金属基本性质与凝固
X-射线结构分析
热力学、动力学
偶分布函数 g(r)
粒子数为N、体积为V的任一体系
距某一参考粒子r处找到另一粒子的几率。 表示离开参考原子距离为r位置的数密度ρ(r) 对于平均数密度ρ0（=N/V)的相对偏差
子间具有较大的结合能，原子的分布仍具有一定的规律性
Fe Cu Al Mg Zn
晶体结构
f.C.C/bC.C f.c.c f.c.c h.c.p h.c.p
熔点温度/℃
1535 1083 660.2 651 419.5
体积变化/%
0.4-4.4 4.2 6.6 4.2 6.9
熵值变化/J.K-1
2.0 2.3 2.75 2.32 2.55
假设：
✓液态是匀质的、密度集中的、排列紊乱的原子的堆积体
✓无晶体区域 无大到足以容纳另一个原子的空穴
具体操作
统计单个球接触点的数目 确定该结构的平均配位数 结果：
rm
N 40g(r)r2dr
r0
➢紊乱堆积的球堆中存在高度致密区
➢其它地区钢球的排列紊乱
➢钢球之间有空隙
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征
第二章 液态金属基本性质与凝固 热力学、动力学
径向分布函数(Radical distribution function(RDF))
4r2dr
球面上原子密度
固态金属中原子的停留时间 长，在衍射过程中主要是在平 衡位置上作热运动，衍射结果 是一条条清晰线