液态金属的结构和固态相变
第一章液态金属的结构和性质
Ws Wα −α + Wβ − β = − Wα − β = σ α − β 2 2
由于Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ，代入上式，则：
σ α − β = σ α + σ β − Wα − β
由此可见，形成α-β界面所作的功Wα-β越大， 则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力越 大，则界面能越小。
f 层＝ 32 32η = Re Dνρ
0.092
f 紊＝
0.092 Re
0.2
＝
(Dvρ)
0.2
η0.2
f为流体流动时的阻力系数
所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一 般为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中， 则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
2）粘度在材料成形中的意义 ③对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度越大对流强度越小
第一章 液态金属的结构和性质 1.1 材料的固液转变
1、相变 气体
化 升 凝 化
蒸 结
凝
发
固体
熔化 凝固
液体
相变化过程：液体蒸发、气体凝聚、多晶转变。一定条件 下相之间的转变过程。即：相变过程。 相平衡；多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度 相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。
金属由液态转变 为固态的过程。
d.合金元素和夹杂物
表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高
2）粘度在材料成形中的意义 ①对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡） 运动粘度:
η ν= ρ
动力粘度除以密度
运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流 动。如浇铸系统的计算 动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如 夹杂的上浮和凝固补缩
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
液态金属相变 afm
液态金属相变 afm液态金属相变（Liquid-to-Metal Transition）是指在一定条件下，金属材料从固态变为液态的过程。
在这个相变过程中，金属材料的性质会发生显著改变，其原子排列结构由有序的晶格转变为无序的液体结构。
液态金属相变是金属材料研究中的重要课题，对于了解金属的物理性质和应用具有重要意义。
液态金属相变是由于金属材料受热后，原子之间的相互作用力开始逐渐减弱，当温度升高到一定程度时，金属材料的原子将失去足够的能量来维持其有序排列的晶体结构，从而进入液态状态。
液态金属的原子排列呈现无序分布，原子之间的距离和相互作用力都会发生变化。
与固态金属相比，液态金属具有较高的热容量和热导率，原子之间的扩散速度增加，因此具有更好的流动性和变形能力。
液态金属相变的温度称为熔点（Melting Point），不同金属的熔点各有不同。
例如，铁的熔点约为1538℃，而汞的熔点仅为-38.83℃。
熔点取决于金属的原子结构和相互作用力的强度。
通常来说，金属的原子结构越紧密，相互作用力越强，其熔点也越高。
液态金属相变是金属加工和制备过程中重要的环节。
通过控制金属的加热温度和相变过程中的冷却速率，可以调控金属材料的性能和微观结构。
例如，通过快速冷却液态金属，可以制备出非晶态金属（Amorphous Metal），具有优异的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天、汽车等领域。
此外，液态金属相变还可以用于制备合金材料，通过调控不同金属元素的相对含量，可以获得具有特定性能的合金。
液态金属相变的研究也对于理解金属材料的性质和行为具有重要意义。
通过研究金属相变的机理和热力学性质，可以深入了解金属的原子结构和相互作用力。
例如，研究液态金属的表面张力和界面行为，可以揭示金属的液态流动机制和界面扩散行为，对于金属材料的润湿性和焊接性有重要影响。
在实际应用中，液态金属相变也存在一些挑战和问题。
例如，金属材料在相变过程中会经历熔化和凝固的过程，这可能导致材料的结构不均匀性和应变畸变，从而影响材料的性能。
1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
液态金属的结构与性质
液态金属的结构与性质液态金属是一种特殊的物质，其结构与性质具有独特的特点。
本文将对液态金属的结构与性质进行详细介绍。
首先，液态金属的结构与固态金属有一些相似之处，但也有一些不同之处。
固态金属由由排列紧密的原子晶格构成，而液态金属的原子结构则更加随意和无规则。
液态金属中的原子没有固定的位置，它们以无序方式排列，形成一个非晶态结构，没有明确的晶体面，没有长程有序。
液态金属的性质也有一些独特之处。
首先是液态金属的流动性。
由于其无规则的原子结构，液态金属的原子之间没有明确的位置限制，因此可以自由流动。
这使得液态金属可以被容器中的任何形状所包裹，也使得液态金属可以通过一些制作工艺来制成各种形状的物体。
其次，液态金属具有较高的密度。
液态金属由金属原子组成，金属原子通常比较重。
由于原子之间没有明确的位置限制，因此液态金属可以更紧密地排列，使得其密度相对较高。
液态金属还具有良好的导电性和导热性。
金属中的电子随着原子之间的距离较远，形成自由电子，这些自由电子可以在金属中自由移动，从而实现电流的传导。
液态金属中的自由电子同样可以在液态金属中自由移动，因此液态金属具有良好的导电性。
与此类似，液态金属中的原子之间的距离较近，原子之间的振动更为频繁，从而使得热量在液态金属中得以快速传播，使其具有良好的导热性。
此外，液态金属还具有较高的表面张力。
液态金属原子之间的相互作用力较强，特别是在液体表面，原子受到周围原子的吸引力较大，形成一个表面膜。
由于这个表面膜的存在，液态金属的表面张力较高，使得液态金属在任何其他物体表面上都能形成一个相对稳定的液体球形，这也是为什么液态金属滴在表面上会呈现出球形的原因。
液态金属还具有一些特殊的性质和应用。
首先是其较低的熔点。
与晶体金属相比，液态金属由于无序结构的特殊性质，使得其熔点相对较低。
这使得液态金属在一些特殊工艺中得以应用，例如3D打印中的金属打印。
另外，液态金属还具有极好的流动性和可塑性。
液体结构与液固相变资料讲解
GV
HmT Tm
图2-6 液-固体积自由能的变化
• 结晶过程中克服的两种不同的能障：
• 热力学能障：它由被迫于高能态过渡状态下的界面 原子所产生，能直接影响到体系自由能的大小。 （界面能属此种情况，对生核影响较大）
• 动力学能障：由金属原子穿越界面，原则上与驱动 力的大小无关而仅取决于界面的结构性质。（激活 能属此种情况，对晶体生长影响较大）
二、曲率及压力对合金熔点的影响
对于球面：
G1
V s p
V s
1 ( r1
1 )
r2
G
2
H
m Tm
Tr
G1 G2 0
Tr
2V s T m K H m
三、物质熔化时体积变化、熵变 一般不大。
四、金属熔化潜热与其气化潜 热比小的多
金属结晶微观过程
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
第2章 液态金属结构与液固相变
第1节 液体的分类与性质
一、液体的分类 按组成粒子及其相互作用分： 原子液体，包括液态金属、液化惰性气体 分子液体，包括极性分子液体、非极性分子液体 离子液体，包括高温熔盐、电解质水溶液
二、液体的共性 1.重力、表面张力可以决定粒子之间的堆积排列和整体几
何形状 2.具有流动性和凝聚性 3.具有宏观界面 4.几乎不可压缩
固体粒子之间具有很强的化学键。化学键有方向性， 抗剪切。
液体粒子之间没有很强的化学键，但有很强的距离约 束力，不抗剪切，不自由膨胀。
气体粒子之间既没有很强的化学键，也没有很强的距 离约束力，不抗剪切，可自由膨胀。
图2-2 晶体、液体、气体的结构与相互作用模型
晶体、液体、气体的动态结构是相互作用模型与的物理机制
第1章液态金属的结构和性质
什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。
1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低
二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于 原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化， 热运动增强。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。
金属的相变和相图
④25%Cu+75%Ni；
⑤100%Ni。
配制的合金数目越多，合金成分的间隔越小，得到的相图就更 加准确。
2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-14a所示。
3）画出温度-成分坐标系，标出各冷却曲线上的临界点，如图314a所示。
4）将物理意义相同的点（如转变开始点、转变结束点）连成曲线， 标明各区域内所存在的相，即得到Cu-Ni相图。
3
第一节 纯金属的相变
2、冷却曲线的测定
纯金属的结晶是在一个恒定的 温度下进行，这个温度就是纯金属 的熔点，又称作是结晶温度。
采用热分析实验方法，测定金 属结晶过程中的温度变化，绘制成 如右图所示的纯金属冷却曲线。
该曲线分为三个明显的阶段。 其中平台对应的温度就是纯金属的 结晶温度。
4
第一节 纯金属的相变
因素是冷却速度和难熔杂质。
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第一节 纯金属的相变
结晶后的晶粒大小及其控制金 属结晶后，获得由大量晶粒组成的 多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来 表示， 晶粒的大小是形核率N和长大速度的 函数，影响形核率和长大速度的重 要因素是冷却速度和难熔杂质。
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第一节 纯金属的相变
晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的 晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好.工程上 通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。通常把通过细 化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。
图3-2 Cu-Ni合金相图
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第二节 二元合金相图
4 铁碳合金的基本组织 第二节 二元合金相图 不高，塑性和韧性很好，易 第二节 二元合金相图 在匀晶相图中，结晶时都是由液相结晶出单相固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。 合金的性能取决于合金的化学成分和组织。 通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。 2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线，如图3-14a所示。 P点：碳在α-Fe中的最大溶解度 纯金属结晶后只能得到单相晶体，合金在结晶之后其组织可以由单独的一个固溶体或一个中间相组成，也可以是两个固溶体、两个中 间相组成。 由于共析反应是固相转变，其原子扩散困难，容易产生较大的过冷，形核率较高，所以共析组织比共晶组织细小，主要有片状和粒状 两种。 77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2. 概念：碳含量为4. （1）相平衡 是指各相的化学热力学平衡。 性能：莱氏体的性能 共晶转变，其反应式为： 建立和利用合金相图，可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。 与渗碳体相似，硬度很高， 5 Fe-Fe3C相图 βE=(1-αD)×100%≈54. 性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。 但在不平衡条件下，成分位于共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也能获得全部的共晶组织。
6液态金属的结构与性质讲解
6液态金属的结构与性质讲解液态金属是指在一定温度范围内处于液态的金属物质。
与固态金属相比，液态金属具有一些独特的结构和性质。
本文将为您详细介绍液态金属的结构和性质。
液态金属的结构：液态金属的结构与晶体固态金属的结构有很大的不同。
晶体金属中金属离子排列有序，呈现出长程有序的结构，而液态金属中金属离子呈现无序排列。
这是因为在液态金属中，金属离子没有固定的位置，而是随机运动，呈现出短程有序的结构。
液态金属的结构可以用连续性函数理论描述，即假设金属离子周围的电子云呈代表性连续函数的分布。
这种结构在液态金属中使得金属离子具有较高的流动性和可塑性。
液态金属的性质：1.密度较大：液态金属的密度一般比固态金属的密度大，这是由于金属在液态状态下金属离子之间没有固定的排列方式，所以更加紧密地堆积在一起。
2.熔点低：相比固态金属，液态金属的熔点要低得多。
这是因为在固态金属中，金属离子呈现有序排列，需要克服更大的排斥力才能实现相互组合成具有晶体结构的固体。
而在液态金属中，金属离子无序排列，排斥力较小，因此熔点较低。
3.导电性好：液态金属具有良好的导电性。
这是因为金属中的电子能够在金属离子间自由运动，并且在液态金属中，金属离子之间的距离较小，电子的运动受到较小的阻碍，所以电子能够更容易地在液态金属中传导电流。
4.热稳定性差：液态金属在高温下容易氧化，因为金属离子在液态金属中处于无序排列状态，容易与外界的氧气分子发生反应，导致金属氧化并丧失其原有性质。
因此，液态金属在高温下需要采取相应的防护措施，以防止其被氧化。
5.可塑性好：液态金属具有较好的可塑性。
这是因为在液态金属中金属离子的无序运动使其具有较高的流动性和可塑性，能够容易地适应外界的形变和应力。
6.高的热传导性：液态金属具有较高的热传导性，金属离子之间的无序排列有利于热能的传导，所以液态金属能够迅速地吸收和释放热能。
总结：液态金属具有独特的结构和性质。
液态金属的结构呈现短程有序，金属离子之间具有较高的流动性。
液态金属的结构和固态相变
5）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不 同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。
6）原子集团的间距比较大，比较松散，犹如存在“空穴”。 （解释：大部分金属熔化时电阻率增加） 7）原子集团的平均尺寸、“游动”速度与温度有关。温度高——原子
集团平均尺寸小、“游动”速度快。
一、金属结晶的宏观现象
冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。 测定方法：热分析
纯金属的冷却曲线
金属结晶温度： 开始结晶温度Tn，理论结晶温度Tm（两相平衡）, 平台 过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-Tn
二、 液-固相变驱动力
2、X射线衍射进行结构分析
液态金属的衍射结构参数
偶分布函数 g(r) 物理意义：距某一参考粒子r处找 到另一个粒子的几率，换言之，表 示离开参考原子（处于坐标原点r = 0）距离为 r 位置的原子数密度 ρ(r) 对于平均数密度ρo（=N/V=粒子数 N/体积V体系）的相对偏差。
ρ(r) = ρo g (r)
N ' eU / KT N
式中 U‘－形成缺位所需的能 量（即蒸发潜热）； k－Boltzmann常数。
• 如果缺位的尺寸大小一样，则为形成缺位所需的能量 相等。而Ｕ‘本身则取决于对液态金属所施加的压力：
U U 0 pv0
U0－在没有外界压力时，为形成缺位所需的能量； p －外界施加的压力。
•
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）
极为接近，其配位数与固态时相当。
•
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏
离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏
液态金属的结构与性质(共71张PPT)
固体无异——近程有序。
因此，关于液体，有两种说法：
〔1〕本质上是密集的气体；
〔2〕高度有缺陷的晶体。
4、固液在外力下，外观的变化
液体：外力——改变形状——流动〔如重力下—水由高
处流向低处〕；
固体：剪应力——弹性变形；外力去除—变形消失。
即：固体不能流动。
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5、其它方面
当它与所选原子相距较远的距离 时，原子排列进入无序状态。
说明：液态金属中的原子在几个原 子间距的近程范围内，与其固态时的有序 排列相近，只不过由于原子间距的增大和 空穴的增多，原子配位数稍有变化。
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2
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3、液体的流动特性——像气体；
但体积特性、热特性——像固体——局部原子排列与
液体的界面张力、潜热等性质
凝固过程的形核及晶体的生长
液体的结构信息
凝固的微观机制
液体的原子扩散系数、界面张力、传热系数、 结晶潜热、粘度等性质 成分偏析、固-液界面类型及晶体生长方式
热力学性质及在液相中的扩散速度
炼钢、铸造合金及焊接熔池的精炼
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5、相变
相变化过程：液体蒸发、气体凝结、多晶转变。一定条件下相之 间的转变过程。即：相变过程。
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〔3〕对凝固过程中液态合金对流的影响
液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓 度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力 大于或等于粘滞力时那么产生对流，其对流强度由无量 纲的格拉晓夫准那么度量，即
※产生对流的条件：温差和浓度差→浮力>粘滞力
※对流强度--格拉晓夫准那么数：
基于分子动力学模拟的液态金属水滴结构特性研究
基于分子动力学模拟的液态金属水滴结构特性研究液态金属水滴是一种非常有趣和重要的研究对象，它在各种领域中都有广泛的应用，如材料科学、能源储存和生物医学等。
为了深入了解液态金属水滴的结构特性，研究人员常常采用基于分子动力学模拟的方法进行研究。
本文就基于分子动力学模拟的方法，对液态金属水滴的结构特性展开研究进行详细介绍。
分子动力学模拟是一种基于牛顿力学和统计力学原理的计算模拟方法。
在液态金属水滴的结构研究中，分子动力学模拟可以模拟和分析水滴中金属原子之间的相互作用以及它们随时间的演化情况。
通过分子动力学模拟，研究人员可以获得水滴的结构参数、稳定性和动力学性质等信息。
首先，液态金属水滴的结构参数是研究的重点。
通过分子动力学模拟，可以获得金属水滴中原子的均方根位移、相对于首层原子的配位数和键角等结构参数。
这些参数可以帮助我们了解金属水滴中原子的排列方式和相互作用情况。
例如，金属水滴中的原子排列方式可能呈现出一定的有序性，比如面心立方（FCC）结构或者体心立方（BCC）结构。
这些结构参数的研究可以揭示金属水滴中的局部有序性、表面结构和相变等现象。
其次，液态金属水滴的稳定性也是研究的关键问题。
通过分子动力学模拟可以探究金属水滴在不同温度和压力条件下的稳定性。
在模拟中，研究人员可以通过改变温度、压力和外界作用力等因素，观察金属水滴的结构和形态的变化。
通过这些模拟实验，可以确定金属水滴的熔点和沸点，并研究金属水滴的相变行为，如液态-固态相变和液态-气态相变等。
这些研究结果对于材料设计和工艺优化具有重要的意义。
最后，液态金属水滴的动力学性质也是研究的重要内容。
通过分子动力学模拟可以研究金属水滴中原子的运动规律和动力学行为。
比如，通过分析金属水滴中原子的速度、加速度和动能等参数，可以获得金属水滴的动能分布和温度分布。
此外，分子动力学模拟还可以研究金属水滴中的扩散行为、振动频率和表面张力等。
这些研究结果对于理解液态金属水滴的热力学性质和流体力学性质非常重要。
金属的相变行为从液态到固态的转变
金属的相变行为从液态到固态的转变金属是一种常见的材料，具有良好的导电性和导热性，因此被广泛应用于工业生产和日常生活中。
然而，金属在不同温度下会出现相变现象，其中从液态到固态的转变是最常见的相变行为之一。
本文将探讨金属从液态到固态转变的过程以及相关的因素。
一、凝固过程金属从液态到固态的转变被称为凝固，这是因为在此过程中，金属的原子或离子聚集在一起形成结晶体。
凝固过程可以分为三个阶段：液态阶段、凝胶阶段和固态阶段。
在液态阶段，金属原子或离子呈无序排列，并具有较高的动能。
当金属温度下降到一定程度时，原子或离子开始逐渐接近，并逐渐形成有序的结构。
在凝胶阶段，金属原子或离子的排列变得更加有序，结晶核形成并逐渐生长。
最后，在固态阶段，金属原子或离子完全有序地排列形成晶体结构。
二、凝固的影响因素金属从液态到固态的凝固过程受到多种因素的影响，其中最主要的因素是温度、压力和成分。
1. 温度：温度是金属凝固的关键因素之一。
一般来说，金属的凝固温度是指金属从液态向固态转变的温度，称为凝固点。
不同金属具有不同的凝固点，例如，铅的凝固点约为327摄氏度，而铁的凝固点约为1538摄氏度。
凝固点的升高或降低可能是由于杂质的存在或添加了其他元素。
2. 压力：压力对金属凝固的影响不如温度显著。
然而，在高压下，金属原子或离子更容易接触和聚集，因此凝固速度可能会加快。
此外，压力的变化也可能导致凝固点的变化。
3. 成分：金属合金的凝固行为比纯金属更加复杂。
合金中不同元素的含量会影响凝固点和凝固过程。
例如，铜和锌的合金黄铜的凝固点会随着铅含量的增加而降低。
三、实际应用金属的相变行为从液态到固态的转变在实际应用中具有重要意义。
1. 铸造工艺：在金属加工中，铸造是一种常见的制造工艺，它涉及到将液态金属倾注入模具中，并通过凝固使其变成固态。
凝固的过程可以控制金属的形状和结构，从而得到所需的产品。
2. 金属合金制备：金属合金是由两种或更多金属元素组成的材料。
纯金属的结晶考试试卷及参考答案
纯金属的结晶考试试卷及参考答案(一) 填空题1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。
2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。
3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类型相同的形核剂、振动、搅动5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。
6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。
7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。
8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡相变温度与该实际转变温度之差。
一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。
9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。
10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。
11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶坯。
12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。
(二) 判断题1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。
即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
( ×)2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
( ×) 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。
( √)4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。
( √)5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。
( ×) P41+76．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。
( √) P53 图2-337．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。
液体结构与液固相变
金属结晶微观过程
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
• 结晶过程中克服的两种不同的能障：
• 热力学能障：它由被迫于高能态过渡状态下的界面 原子所产生，能直接影响到体系自由能的大小。 （界面能属此种情况，对生核影响较大） • 动力学能障：由金属原子穿越界面，原则上与驱动 力的大小无关而仅取决于界面的结构性质。（激活 能属此种情况，对晶体生长影响较大）
SV S S S L
0 H m Tm S m
S m H m Tm
熔点处
熔点附近
H V H m
SV S m
T GV H m TS m H m 1 T m
H m T GV Tm
图2-6 液-固体积自由能的变化
二、曲率及压力对合金熔点的影响
对于球面：
1 1 G1 Vs p Vs ( ) r1 r2 H m Tr G2 Tm G1 G2 0 2Vs Tm K Tr H m
三、物质熔化时体积变化、熵变 一般不大。
四、金属熔化潜热与其气化潜 热比小的多
4.几乎不可压缩
图2-1 液态金属的飞溅
三、液体的物理化学性质
密度、粘度、电导率、导热率、 扩散系数、表面张力 热容、熔化热、汽化热、熔点、沸点 蒸汽压、等压膨胀系数、等温压缩系数、凝固收缩率
第2节 液态金属的结构
一、固液气体的结构模型 人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍 没有成熟的理论模型给予液体结构满意的描述。从液体的 共性可以断定：
6.配位数
：参考原子周围最近邻（即第一壳层） 2 dr
第3节 液-固相变的物理机制
一、 液-固相变驱动力
第02章-金属材料的凝固与固态相变
2.2 合金的凝固
杠杆定律 • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 例：求30%Ni合金在1280时相的相对量 T,C L 1455 c 1500 1400 a1 b1 c1 1280 C 1300 L+ 1200 1100 a 1083 1000 Cu
金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，称为二 次结晶或重结晶。 同素异构转变属于相变之一—固态相变。 1、铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，变化为：
2.1 纯金属的结晶
同素异构转变
纯铁的同素异构转变
质量一定的纯铁，发 生α-Fe→γ-Fe时，其体积 如何变化？ 体积缩小。因为质量 一定，原子个数一定， 而γ -Fe的排列比α -Fe 紧密，占空间小，所以 体积减小。
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
2.2 合金的凝固
二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称之为二元 匀晶相图。 • 合金系有Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni，W-Mo等
细化铸态金属晶粒的措施 晶粒越小, 则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细 化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细 晶强化。 ⑴ 增大过冷度： 随过冷 度增加，N/G值增加，晶粒
变细。
⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属内 加入非均匀形核物质从而细 化晶粒的方法。所加入的非
固溶体的成分又变回到 合金成分3上来。
液固相线不仅是
相区分界线, 也是结
第一章液态金属的结构和性质
第一章液态金属的结构和性质液态金属是一种特殊的物质状态，在一定温度范围内具有液态的流动性，同时又具有金属的特性。
它的结构和性质在科学研究和工业应用中具有重要意义。
本文将从液态金属的结构和性质两个方面进行详细讨论。
液态金属的结构是相对复杂的。
在室温以下，金属一般为固态，其原子间有规则的排列方式。
而当温度升高超过金属的熔点时，金属开始熔化并转变为液态。
一般来说，液态金属的原子结构呈现较高的无序性，原子间的距离近似相等。
在液态金属中，原子之间通常存在一定的空隙，这使得金属呈现一种流动性，可流动性是液态金属的显著特征之一、此外，由于液态金属的无序性，其结构中也可能存在一些凝结核心，例如小的团簇或者局部有序结构。
液态金属的结构和性质的研究表明，液态金属结构的演变与固态金属之间存在一定的关联性，在固态金属中形成的晶体缺陷或者凝聚核心在液态金属中可能会得到进一步的发展或者形成新的相态。
液态金属的性质一方面受金属原子特性的影响，另一方面受到液体状态的因素的影响。
由于金属原子之间的金属键较为强大，在液态金属中，金属具有良好的导电性和导热性。
液态金属中的离子与自由电子相互作用，使电子在金属内部自由传导，并且电流可以在金属中流动。
这种导电性使得液态金属在电子设备、导线等领域具有广泛的应用。
同时，由于金属原子的性质，液态金属具有良好的可塑性和可变形性，可以在一定温度范围内通过加热和冷却来调节液态金属的形状和结构。
这种可塑性使得液态金属在制备复杂金属结构，例如凸轮、导柱等方面有广泛的应用。
此外，液态金属还具有较低的粘度和表面张力，使得液态金属具有较好的流动性。
液态金属在受到外力作用下可迅速流动和扩散，这对于一些需要快速制备金属材料或者形状复杂的金属产品非常有价值。
比如，液态金属可以用于制备3D打印的金属材料，通过快速冷却可以制造出复杂形状的金属产品。
此外，液态金属还具有很好的耐高温性能和化学惰性，可用于制备高温工艺设备和化学容器。
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• 体积只膨胀3～7％， 即原子间距平均只增大1～1.5％ • 金属从０k到熔点的固态体积膨胀几乎都是7％，因此金属
熔化时的体积膨胀不超过固态时的体积变化总量，液态金 属的结构不可能完全无序！
熔化潜热只占气化潜热的3～7 ％ 见表1
r
半
径
增
减
一
个
单
（位
） 为 密 度 函 数
长 度 ， 球 体 内 原
子
个
数
变
化
值
图
液 态 铝 中 原 子 密 度 分 布 线
r观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离 三维空间相当于球体的半径
•
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线
与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的
变化。
过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位
数稍有变化如表2-1。
表2-1 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数 返回
液态金属的结构特征
金属熔化后，在熔点及在熔点以上不高的温度范围内，液态金属内存在近程有序的原 子集团（图2-2）。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液 态金属结构具有如下特点：
5）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不 同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。
6）原子集团的间距比较大，比较松散，犹如存在“空穴”。 （解释：大部分金属熔化时电阻率增加） 7）原子集团的平均尺寸、“游动”速度与温度有关。温度高——原子
集团平均尺寸小、“游动”速度快。
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质 称为晶体。
单晶体 在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体 多晶体
大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒） 组成，属于多晶体。
在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为 1013 次/s。
液态金属？
液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕 着平衡结点位置进行振动
•
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）
极为接近，其配位数与固态时相当。
•
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏
离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏
离也越来越大。
•
当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列
进入无序状态。
•
表明，液态金属中的原子在几个原子间距的
近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不
横坐标r为观测点至某一任
意选定的原子（参考中心） 的距离，对于三维空间，它 相当于以所选原子为球心的 一系列球体的半径。
4r 2 (r)
纵坐标
表示当半
径增减一个单位长度时，球
体（球壳）内原子个数的变 化值，其中（r）称为密度 函数。
固态金属 固态金属中原子停留的时间长，原子在某一平衡位置 热振动。因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一条条（点阵 常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值，与所选原子 最近的球面上的峰值便是它的配位数。
第二章液态结构与固液相变
§2.1 液态金属的结构
金属和合金材料的加工 制备过程:
配料、 熔化 凝固成型 三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，
它决定着金属材料的微观组织特征。
固态金属按Βιβλιοθήκη 子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体
但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。
液态金属结构的研究方法
1、间接方法：通过固态—液态、固态—气态转变后物理性质 变化判断原子结合状况；
2、直接方法：X射线衍射（或中子线）进行结构分析。
1. 物理性质变化
几种常用金属熔化时的体积变化
金属 Sn Zn Mg Al Ag Cu Fe Ti
径向分布函数 — RDF ：
RDF = 4πr 2ρo g(r) 表示在 r 和 r + dr 之间的球壳中原子数的多少。
配位数：
配位数N1：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）的原子数。
配位数 N1 的求法：RDF第一峰之下的积分面积；
X射线衍射分析
图 2-1 是 由 X 射 线 衍 射 结 果整理而得的原子密度分布 曲线。
2、X射线衍射进行结构分析
液态金属的衍射结构参数
偶分布函数 g(r) 物理意义：距某一参考粒子r处找 到另一个粒子的几率，换言之，表 示离开参考原子（处于坐标原点r = 0）距离为 r 位置的原子数密度 ρ(r) 对于平均数密度ρo（=N/V=粒子数 N/体积V体系）的相对偏差。
ρ(r) = ρo g (r)
l）液态金属是由游动的原子团构成。 2）原子间结合能较强、平均原子间距增加不大、 原子排列在较小距离
内具有规律性；原子集团的“近程有序”，远程无序排列。 3）由于能量起伏，原子集团处于瞬息万变状态；液态金属中的原子热运
动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能 量的不均匀性，称为能量起伏。 4）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此 起彼伏的，称为结构起伏。
但对于液态金属而言，液态中的金属原子是处在瞬息万变的热 振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固 定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻 原子之间最大几率的原子间距。原子密度分布曲线是一条呈波浪 形的连续曲线。
现象分析：1、连续，2、有峰，3、峰位
2-1 700℃
这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只 破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对于固 态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热运动的 混乱程度，与固态相比有所增大。
比热容，与固态相比虽然稍大一些，但具有相同的数 量级。
表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热
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由此可见： 液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原 子之间仍然具有很高的结合能。 金属的熔化并不是原 子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布 仍具有一定的规律性。可以说，在熔点（或液相线） 附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类 似于固体，而与气体截然不同。但需要指出，在液-气 临界点(Tc)，液体与气体的结构往往难以分辨，说明 接近Tc 时，液体的结构更接近于气体。