第1章—— 液态金属的结构与性质

第二节 液体金属的结构
一、液态与固态、气体的结构比较及衍射特征 液态与固态、 二、由物质熔化过程认识液态金属的结构 三、实际金属的液态结构 四、液态金属结构的理论模型
自学
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展
一、液态与固态、气体结构比较及衍射特征 液态与固态、
晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征， 晶体——原子在晶格节点上表现出平移、对称性特征，同时 ——原子在晶格节点上表现出平移 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序） 以某种模式在平衡位置作热振动（远程有序）
g(r)
g (r)
2 1 ao
气 气体 体
a） ）
r
a0-气体中粒子的平均自由程 气体中粒子的平均自由程
偶分布函数g 偶分布函数 (r) 的物理意 义：距某一参
考粒子r处找到 考粒子 处找到 另一个粒子的几 换言之， 率，换言之，表 示离开参考原子 (处于坐标原子 处于坐标原子r 处于坐标原子 = 0)距离为 的位 距离为r的位 距离为 置的数密度ρ 置的数密度 (r) 对于平均数密度 ρ 0（=N/V）的 ） 相对偏差
三、实际金属的液态结构
理想纯金属液态结构 能量起伏和结构起伏
实际纯金属液态结构 存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶 存在大量多种分布不均匀、存在方式（ 质或化合物） 质或化合物）不同的杂质原子
金属（二元合金） 存在第二组元时，表现为能量起伏、 金属（二元合金）液态结构 存在第二组元时，表现为能量起伏、 结构起伏和浓度起伏 实际金属（多元合金） 相当复杂， 实际金属（多元合金）液态结构 相当复杂，存在着大量时聚时 此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、 散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态 杂质或化合物， 杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替
虚线：计算值；实线： 虚线：计算值；实线：不同研究者实验结果
液体的粘度与温度的关系ａ） ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴 图 液体的粘度与温度的关系ａ）液态镍 ；ｂ）液态钴
r0
rm
N1 表示参考原子周围最近邻 (第一壳层 原子数（如图） 第一壳层)原子数 第一壳层 原子数（如图） r1 表示参考原子与其周围第 一配位层各原子的平均原子 间距， 间距，也表示某液体的平均 原子间距
图 液体配位数Ｎ１的求法
液体平均原子间距r 液体平均原子间距r1和N1被认为是液体最重要的
2
上式表示在 r 和 r+dr 之间的球壳中原子数 的多少。 的多少。图中带点的 红色曲线为稍高于熔 点时（白色） 点时（白色）各种液 态碱金属的径向分布 函数变化
配位数N RDF第一峰之 配位数N1—RDF第一峰之 下的积分面积
N 1 = ∫ 4πρ 0 g (r )r 2 dr
4、综合模型 在液态金属中由于热运动的存在，不同的部位有 、 在液态金属中由于热运动的存在， 着不同的运动方式， 着不同的运动方式，因此处于不同部位的原子受到力的方式大小 也不相同，产生的缺陷也就不单一了， 也不相同，产生的缺陷也就不单一了，这样也就形成了多种缺陷 模型的综合现象
五、对液态金属结构的再认识及研究新进展 了解） （了解）
3、位错模型 液态金属可看成是一种被位错芯严重破坏的点阵 、 结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错） 结构。在特定温度以上的低温条件下，不含位错（或低密度位错） 的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。 的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。高位错 密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性， 密度的引入，使液态金属的微观结构不再具有长程有序性，同时 使液态金属在外力的作用下具有流动性， 粘滞系数、 使液态金属在外力的作用下具有流动性，对粘滞系数、原子扩散 系数和晶体的生长等也能进行较好的解释
mPa·S。工业上动力粘度单位用泊来表示， mPa·S。工业上动力粘度单位用泊来表示，即1克/厘米·秒=1泊 厘米· =1泊
4、粘度的影响因素 1）通常液体粘度表达式
式中： 式中：
η=
2k B T
δ3
U τ 0 exp k T B
KB ——Bolzmann 常数； 常数； U ——无外力作用时原子之间的结合能（或原子扩散势垒）; 无外力作用时原子之间的结合能（ 无外力作用时原子之间的结合能 或原子扩散势垒） T —— 热力学温度常数 原子在平衡位置的振动周期（ τ0 ——原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为 -13 秒） 原子在平衡位置的振动周期 对液态金属约为10 δ —— 液体各原子层之间的间距
dv x τ=η dy
dy η=τ dv x
τ
O
δ
v2
v3
x
v1
v4
... v5
y
2、粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大 粘度的物理意义：
小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。 小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。是液体内摩 擦阻力大小的表征
3、粘度的量纲及单位：量纲为M·L-1·T-1；常用单位Pa·S 或 粘度的量纲及单位：量纲为M·L T 常用单位Pa·S
2）液体粘度的影响因素
（1）粘度 随原子间结合能 按指数关系增加：这可以理解 ）粘度η 随原子间结合能U 按指数关系增加： 液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大， 为，液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也 就越高 U 2k B T η = 3 τ 0 exp k T δ B 2）粘度随原子间距δ增大而降低 增大而降低， （2）粘度随原子间距δ增大而降低，与 δ 3 成反比 （3）η 与温度 的关系：受两方面（正比的线性关系和负的指 ） 与温度T 的关系：受两方面（ 数关系）共同制约，但总的趋势随温度T 而下降（见下图） 数关系）共同制约，但总的趋势随温度 而下降（见下图） 实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高， 实际金属液的原子间距 也非定值，温度升高，原子热振动加 也非定值 原子间距随之而增大，因此η 剧，原子间距随之而增大，因此 会随之下降
g(r) 2 1 0
液体
液 体
g (r)
r1 g(r) 2 1 0
r b) 非 晶 固 体
b） ）
非晶固体 c） ）
r1-液体的平均原子间距 液体的平均原子间距
g (r)
r1
c)
r
g (r)
g(r)
晶态固体 晶 态 固
体 r1 d) r
d） ）
图 气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征 气体、液体、
第一章 液态金属的结构与性质
第一节 液体概念的引入
一、液体类型（按液体结构和内部作用力分） 液体类型（按液体结构和内部作用力分）
原子液体； 原子液体； 分子液体； 分子液体； 离子液体
二、液体的性质和特征
最显著特性： 最显著特性：流动性 结构特征： 远程无序” 近程有序” 结构特征：“远程无序”而“近程有序”
（二）液态金属结构的晶体缺陷模型
液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。 １、微晶模型 液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成。在微 晶体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵， 晶体中，金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间 以界面相连接 微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性，因而该模型 微晶的存在能很好地解释液态金属中的短程有序性， 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是， 能很好地描述近液相线（低温）液态金属的微观结构。但是，该 模型对高温液态金属的微观结构无法进行解释 2、空穴模型 晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴，从 、 晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的孔穴， 而使液态金属微观结构失去了长程有序性。 而使液态金属微观结构失去了长程有序性。大量孔穴的存在使液 态金属易于发生切变，从而具有流动性。 态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提 空位的数量也不断增加， 高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小
金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1 ），大约为 大约为1/15 金属熔化潜热比气化潜热小得多（见表1-2），大约为1/15 至 1/30。表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏， 1/30。表明熔化时，其内部原子结合键只有部分被破坏，液体 金属内原子的局部分布仍有一定规律。在液-气临界点T 金属内原子的局部分布仍有一定规律。在液-气临界点Tc的附 近，液体结构更接近于气体
指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低 处于热运动的原子能量有高有低， 能量起伏 指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一 原子的能量也会随时间而不停变化， 原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象
指液态金属中大量不停 游动” 大量不停“ 结构起伏 指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分 化组合，由于“能量起伏” 一部分金属原子（离子） 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， 簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此 起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样， 起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样， 团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象
第三节 液体合金的性质
一、液态合金的粘度
二、液态合金的表面张力
一、 液态合金的粘度
（一）液态合金的粘度及其影响因素 1、粘度：又称粘度系数。液体在流动时，在其分子间产生 粘度：又称粘度系数。液体在流动时，
内摩擦的性质，称为液体的粘性。粘性的大小用粘度来表 内摩擦的性质，称为液体的粘性。 是用来表征与液体性质相关的阻力因子。 示。是用来表征与液体性质相关的阻力因子。根据牛顿提 出的数学关系式来定义： 出的数学关系式来定义： z
二、由物质熔化过程认识液态金属结构
物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（ 物质熔化时——体积变化、熵变和焓变一般均不很大（见书 体积变化 中表1 ）。金属熔化时体积变化 多增大） 3%~5%。 金属熔化时体积变化（ 中表1-1）。金属熔化时体积变化（多增大）为3%~5%。表明 液体原子间距接近于固体， 液体原子间距接近于固体，在熔点附近系统混乱度只是稍大 于固体而远小于气体