液态金属结构及宏观结晶规律
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中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础
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
2015-6-14
2015-6-14
柏振海 baizhai@csu.edu.cn
16
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材料科学与工程基础
液态金属结构及பைடு நூலகம்观结晶规律
金属熔点时的结构测定
• X射线衍射分析给出了原子分布，即提供了原子间距和配位数
1，液体中原子间的平均距离比 固体中稍大 2，液体中原子的配位数比密排 结构的固体的配位数减少，通常 在8～11的范围内，即熔化时体 积略为膨胀，但对于非密排结构 的晶体，如Ga、Ge、Sb和Bi等液 态时配位数反而增大，即熔化后 体积略为收缩 3，液态原子排列混乱程度增加
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 Cu 晶体结构 面心立方 面心立方 体心立方/面心立方 面心立方 熔点（℃） 960.5 660.2 1536 1083 熔化时体积变化率（%） 4.99 6.6 3.0 4.15
Mg
Bi Li
密排六方
三方 体心立方
• 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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材料科学与工程基础
液态金属结构及宏观结晶规律
2.4.1.2
金属液态结构
• 对液态金属的微观结构认识比较浅，其与固态之间 本质的、内在的联系还比较模糊
2015-6-14
柏振海 baizhai@csu.edu.cn
20
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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
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，还存在成分起伏现象
2015-6-14
柏振海 baizhai@csu.edu.cn
6
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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
凝固研究的现状与展望
• 液态和固体结构之间的联系在小尺寸范围存在相似 性，某些熔体来说在较大尺寸范围上也存在关联 • 这种关联对于液－固相变的微观机制，把握相变的 条件和方向，生产高质量的材料或产生新的物相 （如准晶、非晶、亚稳相等）具有重要意义
1536 650
6.4
15.2 8.69
765
3070 1103
99.5
340 115
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Δ Hm/Δ Hb 都较大
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650
271 179
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
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
液态Cp,m
Fe 41.8
34.1
Mn 46.4
46.4
Cr 42.6
• 反映离表面不太深部位的内部结构 • 中子衍射 • 与X射线衍射的基本原理相同 • 工件内部结构成像的能力扩大，可以判断轻元素的位臵 和分布 • 可以反映整个液层的内部结构
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液态金属结构及宏观结晶规律
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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 • 粉末冶金产品要经过制粉，一般主要是熔化、凝固阶段
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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
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107℃/s，金属也能获得非晶 态
材料科学与工程基础
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
组织的遗传性 • 熔体的组织和缺陷、在液态合金中加入可以改变元素之间的相互作用 的合金元素、液态金属的结构（如过冷度、净化程度）对凝固后铸件 或毛坯的组织和缺陷及性能有影响
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液态金属结构及宏观结晶规律
0.288
0.309, 0.346
12
3+3
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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
• 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臵 向另一些位臵活化迁移的过程 • 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
柏振海 baizhai@csu.edu.cn
4
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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
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
熔点时金属的原子距离和配位数
液态 金 原子间距， 配位数 属 nm Al Zn Cd 0.296 0.294 0.306 10～11 11 8 固态 原子间距， nm 0.286 0.265, 0.294 0.297, 0.330 配位 数 12 6+6 6+6
Au
Bi
0.286
0.322
11
7～ 8
• 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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• 金属液态结构进行研究方法 • 射线（X射线、中子）衍射 • 理论计算（分子动力学模拟）
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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
射线（X射线、中子）衍射
• X射线衍射 • 以原子内的电子为散射中心而形成的衍射现象 • 衍射强度随元素原子序数加大而增强
某些金属的熔化潜热及气化潜热（KJ/mol） 金属 Ag Al Au 熔点℃ 960.5 660 1063 熔化潜热Δ Hm 11.2 10.4 12.8 沸点℃ 2212 2480 2950 气化潜热Δ Hb 258 291 342 Δ Hm/Δ Hb 23 27.8 26.7
Cd
Fe Mg
321
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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
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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材料科学与工程基础
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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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Δ S 31.5 31.4 40.9 18.9 64.8 熔化熵Δ Sm 7.0 11.5 9.24 10.3 8.36 Δ Sm/Δ S 0.31 0.37 0.23 0.54 0.13
40.5
Ni 35.7
35.7
Al 32.6
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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10
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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
2.4.1.1.3 熔化热和熔化熵的变化
理论计算（分子动力学模拟）
• 在给定的粒子间相互作用势下，通过数值求解系统的运动 方程组，计算得到各瞬时原胞中N个粒子的坐标和速度。并 分析系统各种性质，如结构、热力学性质、动力学性质等
• 模拟产生平衡时各瞬态构型基础上，直接得到径向 分布函数、双体分布函数、原子的键对分布、多面 体分布以及键长分布 • 与实验很好相符
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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
早期凝固理论
• 研究工作仅仅局限于夹杂、气体、微量元素等异质组成对 最终组织的影响
• 最近逐渐认识到，即使在纯净的熔体体系中，液 态结构变化对凝固以后的材料组织、性能和铸锭 （件）质量也存在直接和重要的影响 • 从熔体结构控制的角度来改善和控制凝固尚是经 验性的，远远没有形成系统的理论
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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
中程序
• 在液体中，化合物的形成或化学序在衍射曲线上的 表现是在10-20nm区间内出现预峰
• 晶体的某种结构单元还存在于液体中，它们的关联 导致预峰的出现，利用预峰可以在中程序尺度上得 到液体中原子团簇的结构 • 中程有序结构不是一成不变的，而是存在一个低温 存在、高温消失的演化过程，并且中程有序结构的 大小与温度有关
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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
短程序
• 液态结构 主要特征是长程无序，晶体的熔化消除了三维的周期性 不存在周期性，但在一定程度上仍然保持原子排列的短程序
• 长程序的消失的影响 • 不强烈影响原子相互配臵和它们之间结合力决定的诸多 热力学性质—比热容、原子热容量及等温压缩性的变化 • 严重影响原子的平行迁移性（平动性，取决于自由体积） • 熔化时不同物质的自扩散系数可能增长2～4个数量级
材料科学与工程基础
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பைடு நூலகம்观结晶规律
金属熔点时的结构测定
• X射线衍射分析给出了原子分布，即提供了原子间距和配位数
1，液体中原子间的平均距离比 固体中稍大 2，液体中原子的配位数比密排 结构的固体的配位数减少，通常 在8～11的范围内，即熔化时体 积略为膨胀，但对于非密排结构 的晶体，如Ga、Ge、Sb和Bi等液 态时配位数反而增大，即熔化后 体积略为收缩 3，液态原子排列混乱程度增加
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 Cu 晶体结构 面心立方 面心立方 体心立方/面心立方 面心立方 熔点（℃） 960.5 660.2 1536 1083 熔化时体积变化率（%） 4.99 6.6 3.0 4.15
Mg
Bi Li
密排六方
三方 体心立方
• 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
2.4.1.2
金属液态结构
• 对液态金属的微观结构认识比较浅，其与固态之间 本质的、内在的联系还比较模糊
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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，还存在成分起伏现象
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液态金属结构及宏观结晶规律
凝固研究的现状与展望
• 液态和固体结构之间的联系在小尺寸范围存在相似 性，某些熔体来说在较大尺寸范围上也存在关联 • 这种关联对于液－固相变的微观机制，把握相变的 条件和方向，生产高质量的材料或产生新的物相 （如准晶、非晶、亚稳相等）具有重要意义
1536 650
6.4
15.2 8.69
765
3070 1103
99.5
340 115
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Δ Hm/Δ Hb 都较大
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271 179
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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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
液态Cp,m
Fe 41.8
34.1
Mn 46.4
46.4
Cr 42.6
• 反映离表面不太深部位的内部结构 • 中子衍射 • 与X射线衍射的基本原理相同 • 工件内部结构成像的能力扩大，可以判断轻元素的位臵 和分布 • 可以反映整个液层的内部结构
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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 • 粉末冶金产品要经过制粉，一般主要是熔化、凝固阶段
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液态金属结构及宏观结晶规律
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107℃/s，金属也能获得非晶 态
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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
组织的遗传性 • 熔体的组织和缺陷、在液态合金中加入可以改变元素之间的相互作用 的合金元素、液态金属的结构（如过冷度、净化程度）对凝固后铸件 或毛坯的组织和缺陷及性能有影响
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0.288
0.309, 0.346
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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
• 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臵 向另一些位臵活化迁移的过程 • 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
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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
熔点时金属的原子距离和配位数
液态 金 原子间距， 配位数 属 nm Al Zn Cd 0.296 0.294 0.306 10～11 11 8 固态 原子间距， nm 0.286 0.265, 0.294 0.297, 0.330 配位 数 12 6+6 6+6
Au
Bi
0.286
0.322
11
7～ 8
• 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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• 金属液态结构进行研究方法 • 射线（X射线、中子）衍射 • 理论计算（分子动力学模拟）
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射线（X射线、中子）衍射
• X射线衍射 • 以原子内的电子为散射中心而形成的衍射现象 • 衍射强度随元素原子序数加大而增强
某些金属的熔化潜热及气化潜热（KJ/mol） 金属 Ag Al Au 熔点℃ 960.5 660 1063 熔化潜热Δ Hm 11.2 10.4 12.8 沸点℃ 2212 2480 2950 气化潜热Δ Hb 258 291 342 Δ Hm/Δ Hb 23 27.8 26.7
Cd
Fe Mg
321
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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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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Δ S 31.5 31.4 40.9 18.9 64.8 熔化熵Δ Sm 7.0 11.5 9.24 10.3 8.36 Δ Sm/Δ S 0.31 0.37 0.23 0.54 0.13
40.5
Ni 35.7
35.7
Al 32.6
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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2.4.1.1.3 熔化热和熔化熵的变化
理论计算（分子动力学模拟）
• 在给定的粒子间相互作用势下，通过数值求解系统的运动 方程组，计算得到各瞬时原胞中N个粒子的坐标和速度。并 分析系统各种性质，如结构、热力学性质、动力学性质等
• 模拟产生平衡时各瞬态构型基础上，直接得到径向 分布函数、双体分布函数、原子的键对分布、多面 体分布以及键长分布 • 与实验很好相符
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早期凝固理论
• 研究工作仅仅局限于夹杂、气体、微量元素等异质组成对 最终组织的影响
• 最近逐渐认识到，即使在纯净的熔体体系中，液 态结构变化对凝固以后的材料组织、性能和铸锭 （件）质量也存在直接和重要的影响 • 从熔体结构控制的角度来改善和控制凝固尚是经 验性的，远远没有形成系统的理论
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中程序
• 在液体中，化合物的形成或化学序在衍射曲线上的 表现是在10-20nm区间内出现预峰
• 晶体的某种结构单元还存在于液体中，它们的关联 导致预峰的出现，利用预峰可以在中程序尺度上得 到液体中原子团簇的结构 • 中程有序结构不是一成不变的，而是存在一个低温 存在、高温消失的演化过程，并且中程有序结构的 大小与温度有关
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液态金属结构及宏观结晶规律
短程序
• 液态结构 主要特征是长程无序，晶体的熔化消除了三维的周期性 不存在周期性，但在一定程度上仍然保持原子排列的短程序
• 长程序的消失的影响 • 不强烈影响原子相互配臵和它们之间结合力决定的诸多 热力学性质—比热容、原子热容量及等温压缩性的变化 • 严重影响原子的平行迁移性（平动性，取决于自由体积） • 熔化时不同物质的自扩散系数可能增长2～4个数量级