5.1液态金属结构及宏观结晶规律(1)

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材料科学与工程基础
液态金属结构及宏观结晶规律
金属熔化时无序程度的变化
部分金属从室温（25℃）至熔点的熵变（KJ/mol）及熔化熵
金属 Mg Al Au Cd Fe
从298K到熔点的熵变ΔS 31.5 31.4 40.9 18.9 64.8
熔化熵ΔSm 7.0 11.5 9.24 10.3 8.36
1083 650 271 179
4.15 4.1 -3.25 1.5
金属熔化时体积的增加在2.5%～5%之间，最大也不超过6%
有少数非密排结构的金属如Sb、Bi、Ga、Ge等熔化时体积有少量收缩
体积增大可以认为是由两部分引起：一部分是质点间距离加大，另一部分是形成了大量空位
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液态金属结构及宏观结晶规律
液态金属的压缩
• 液态金属和固态金属一样具有很小的可压塑性， 同时随着压力增加，液态金属的压缩系数逐渐接 近固态金属
• 这表明液态金属质点间距虽然比固态略大，但其 值已经很小，外界给液态金属施加压力时只表现 出很小的压缩系数
• 气态有很大的压缩系数，表明气体质点间距很大
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液态金属结构及宏观结晶规律
2.4.1.1.3 熔化热和熔化熵的变化
金属
Ag Al Au Cd Fe Mg
某些金属的熔化潜热及气化潜热（KJ/mol）
熔点℃ 熔化潜热ΔHm 沸点℃ 气化潜热ΔHb
960.5
11.2
2212
258
660
10.4
2480
291
1063
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液态金属结构及宏观结晶规律
2.4.1.1.2 熔化时热容的变化
某些金属在熔点附近的摩尔热容[J/(mol·K)]
金属 固态Cp,m
Fe Mn Cr
Ni
Al
41.8 46.4 42.6 35.7 32.6
液态Cp,m 34.1 46.4 40.5 35.7 29.3
• 金属在固-液转变时热容量仍有突变，但是变化不大，在 液体中质点热运动的特点与固体很接近
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液态金属结构及宏观结晶规律
凝固
• 物质从液态冷却转变为固态的过程叫做凝固
• 凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体
• 凝固后的物质是晶体，则这种凝固称为结晶
• 通常凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体， 因此也称金属及合金的凝固为结晶
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液态金属结构及宏观结晶规律
• 粉末冶金产品要经过制粉，也是熔化、凝固阶段
• 铸锭（件）及焊接件组织和性能与凝固过程有密切的关系
• 研究结晶过程，已经成为提高金属机械性能和工艺性能的 主要手段之一
• 结晶过程是一个相变过程，了解结晶过程同时也为研究固 态金属中的相变奠定基础
• 固态条件下能发生通常称为再结晶的晶体成长现象
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ΔSm/ΔS 0.31 0.37 0.23 0.54 0.13
• 熔化时熵的增加比较大，金属熔化时配位数改变很小
• 金属熔化时，原子间距或最近邻原子数目没有多大变化，无序程度大为 增加
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液态金属结构及宏观结晶规律
液体金属的结构
• 宏观上 金属和合金的液态结构是均匀、各向同性的
液态金属结构及宏观结晶规律
金属的熔化热
• 熔化热包含内能的变化以及由体积变化引起的膨胀 功两部分
• 金属熔化时体积变化很小，膨胀功不大 • 熔化热主要反映了内能的变化，内能包括动能和势
能 • 在熔点温度时固态和液态质点的动能可以认为是相
等的 • 内能的变化主要反映了势能或质点间相互作用力的
变化
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液态金属结构及宏观结晶规律
液体金属的能量起伏
• 金属液体中微观区域的自由能也是变化的， 也就是存在能量起伏
• 在合金系统中，还存在成Biblioteka Baidu起伏现象
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液态金属结构及宏观结晶规律
凝固与材料性能的关系
• 微观组织决定固态金属材料的宏观性能
• 金属材料铸造后的微观组织又主要是由凝固前熔体结构本 身和冷却速度决定
• 同样合金成分在不同的凝固条件下可以获得不同的微观结 构，使材料具有不同的宏观性能
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液态金属结构及宏观结晶规律
2.4.1 金属液态结构与性能特点
• 对于液态结构的认识很不够，至今仍未有一个比 较全面、完善的理论
• 液态是介于固态和气态之间的一种物质状态 • 像固态那样具有一定的体积、不易被压缩 • 像气体那样没有固定的形状、具有流动性和各向同性
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液态金属结构及宏观结晶规律
2.4.1.1 液态金属与固态金属的比较
某些金属熔化时的体积变化
金属名称 Ag Al Fe
晶体结构 面心立方 面心立方 体心立方/面心立方
熔点（℃） 960.5 660.2 1536
熔化时体积变化率（%） 4.99 6.6 3.0
Cu
面心立方
Mg
密排六方
Bi
三方
Li
体心立方
晶体与非晶体的形成
• 粘度高的物质如高分子材料容易形成非晶体
• 粘度小的物质如金属和合金容易形成晶体
• 冷却速度也有直接的影响
• 如果冷却速度达到10-7℃/s，金属也能获得非晶 态
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材料科学与工程基础
液态金属结构及宏观结晶规律
研究金属凝固的意义
• 获得固体材料，绝大多数要经历由液态到固态的凝固过程 • 金属制品在其加工制造的最初阶段，一般都要熔炼后铸 造，使其成为铸锭或铸件
12.8
2950
342
321
6.4
765
99.5
1536
15.2
3070
340
650
8.69
1103
115
ΔHm/ΔHb 23 27.8 26.7 15.6 22.4 16.0
• 金属的熔化潜热远小于其气化潜热
• 金属的气化潜热与熔化潜热的比值ΔHm/ΔHb 都较大
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材料科学与工程基础
• 原子尺寸时
• 金属和合金的液态结构不均匀，熔体中原子存在着原子 围绕平衡中心以频率的振动和单个原子从一些平衡位置 向另一些位置活化迁移的过程
• 长程无序，在一定程度上仍然保持原子排列的短程有序
• 液态中部分原子排列方式与固态金属相似，构成短程有序 晶态小集团
• 这些小集团不稳定，尺寸大小不相等，时而产生，时而 消失，就是存在所谓的结构起伏