第二章液态金属的结构与性质剖析
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⑤ 原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。
“结构起伏” “能量起伏” 15
第二节 液态金属的结构
➢ 液态金属是由许多“游动的原子集团”所 组成，在集团内可看作是空位等缺陷较多 的固体，其原子排列和结合与原有固体相 似，但存在很大的能量起伏，热运动很强。 原子集团间存在空穴。温度越高，原子集 团越小，游动越快。
15.6
Mg
650
2.08
1103
32.0
15.4
11
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
➢因此，金属的熔化并不是原子 间结合的全部破坏，液体金属 内原子的分布仍具有一定的规 律性，其结构类似于固态。而 不是类似气体，只是原子的热 运动加剧。
12
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 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
①金属加热时，Em增加； ②金属的熔化首先是从晶界开始；（原子排列不规则，势能较高，不需要达到Q便能脱离束缚） ③当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之
间更容易产生相对运动；
晶内
晶界
8
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
④熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要
继续提供能量使原子间的结合进一步破坏； ⑤与固态比较：
➢ 体积变化：固→气：体积无限膨胀； 固→液：体积3～5％， 原子间距1～1.5％；
➢ 熔化潜热：仅为升华热的3～7％；
9
表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）
Crystal Structure
Matter
Type
Na
bcc
Sc
bcc
Fe
bcc/fcc
Al
fcc
Ag
fcc
①原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的 距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。
②原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规 律性。(固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集 团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到 很大破坏)
③原子集团时刻在变化；
④原子集团之间距离较大，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？）
Sm (J.K-1.mol-1)
7.03 6.95 7.61 11.6 9.16 9.71 9.71 10.7 13.8 18.5 2.7 3.36 2.4710
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
Element
Tm (0C)
Hm (kFra Baidu bibliotekal/mol)
Tb (0C)
Hb (kcal/mol)
3 kt 2
6
第一节 固体金属的加热与熔化
金属的膨胀
能量起伏(内蒸发):空穴的产生
金属被加热，原子的能量 大为增加，结果是：
①热振动加剧，振幅增大， 原子距离增加，体积膨胀
②能量达到及大于Q的活化 原子增多，原子跳跃频繁，点 阵内空位数增加，晶界移动。
7
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）
➢ 势垒：在平衡位置两边，势能升高，最大值为Q。
➢ 一切物质都在永不停息的运动中。
➢ 振动的能量取决于温度。
➢ 结合能或激活能的概念
➢ 原子在一个位置的停留时间： A eQ/kt
➢ 原子的相互碰撞、相互传递能量，造成各原子热运动能量 不均等，且相差悬殊，这种能量不均匀性称为能量起伏。
➢
所有原子的平均能量决定于温度： EM
子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚 集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动 原子团簇之间存在着成分差异 。
18
1200 ℃ 1550 ℃
1400 ℃ 1700 ℃
19
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 以仅含一种杂质元素为例:
①A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液
Hb / Hm
Al 660 (Hb /
Au
1063
Cu
1083
Fe
1536
2.50 3.06 3.11 3.63
2480 2950 2575 3070
69.6 81.8 72.8 81.3
27.8 26.7 23.4 22.4
Zn
420
1.73
907
27.5
16.0
Cd
321
1.53
765
23.8
1
本章学习内容： 从金属原子热运动出发，了解固体金属的熔
化过程，并通过熔化前后金属某些性质的变 化，对比固、液结构差异，分析液态金属的 结构特点，进一步分析其主要性质的物理本 质，以及这些性质与工艺因素之间的关系。
2
第二章 液态金属的结构和性质
第一节 固体金属的加热与熔化 第二节 液态金属的结构 第三节 液态金属的性质 第四节 液态金属的充型能力 第五节 半固态合金的流变性及半固态成形
3
第一节 固体金属的加热与熔化
1. 固体金属的热运动 由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑
力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之 间的平衡关系，如图所示
2.金属的熔化
4
图1 金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系 图2 加热时原子间距和原子势能的变化
5
1. 固体金属的热运动
Cu
fcc
Mg
hcp
Zn
hcp
Sn
complex
Ga
complex
N2
-
Ar
-
CH
-
Tm (K)
370 302 1809 931 1234 1356 924 692 505 303 63.1 83.78 90.67
Vm / Vs (%)
2.6 2.6 3.6 6.9 3.51 3.96 2.95 4.08 2.4 -2.9 7.5 14.4 8.7
中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；
判断。 （1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和气化潜热
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，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。
13
14
第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构
➢ 故液体既有很好的流动性，只要在重力场 的作用下，其外形就行随容器而变化。
16
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 杂质原子
量大
种类多
分布不均 存在方式不同
原子间结合力不同，产生的起伏
结构起伏
浓度起伏
能量起伏
17
➢ “能量起伏” ➢ “结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 ➢ “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间的原
“结构起伏” “能量起伏” 15
第二节 液态金属的结构
➢ 液态金属是由许多“游动的原子集团”所 组成，在集团内可看作是空位等缺陷较多 的固体，其原子排列和结合与原有固体相 似，但存在很大的能量起伏，热运动很强。 原子集团间存在空穴。温度越高，原子集 团越小，游动越快。
15.6
Mg
650
2.08
1103
32.0
15.4
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第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
➢因此，金属的熔化并不是原子 间结合的全部破坏，液体金属 内原子的分布仍具有一定的规 律性，其结构类似于固态。而 不是类似气体，只是原子的热 运动加剧。
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第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构 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
①金属加热时，Em增加； ②金属的熔化首先是从晶界开始；（原子排列不规则，势能较高，不需要达到Q便能脱离束缚） ③当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之
间更容易产生相对运动；
晶内
晶界
8
第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
④熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要
继续提供能量使原子间的结合进一步破坏； ⑤与固态比较：
➢ 体积变化：固→气：体积无限膨胀； 固→液：体积3～5％， 原子间距1～1.5％；
➢ 熔化潜热：仅为升华热的3～7％；
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表1-1金属熔化时典型的体积变化Vm/VS（Vm为熔化时的体积增量）
Crystal Structure
Matter
Type
Na
bcc
Sc
bcc
Fe
bcc/fcc
Al
fcc
Ag
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①原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的 距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。
②原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规 律性。(固体是由许多晶粒组成的，液体是由原子集 团组成的，集团内部保持固体特征，集团之间受到 很大破坏)
③原子集团时刻在变化；
④原子集团之间距离较大，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？）
Sm (J.K-1.mol-1)
7.03 6.95 7.61 11.6 9.16 9.71 9.71 10.7 13.8 18.5 2.7 3.36 2.4710
表1-2 几种晶体物质的熔化潜热（Hm）和气化潜热(Hb)
Element
Tm (0C)
Hm (kFra Baidu bibliotekal/mol)
Tb (0C)
Hb (kcal/mol)
3 kt 2
6
第一节 固体金属的加热与熔化
金属的膨胀
能量起伏(内蒸发):空穴的产生
金属被加热，原子的能量 大为增加，结果是：
①热振动加剧，振幅增大， 原子距离增加，体积膨胀
②能量达到及大于Q的活化 原子增多，原子跳跃频繁，点 阵内空位数增加，晶界移动。
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第一节 固体金属的加热与熔化
金属熔化
（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）
➢ 势垒：在平衡位置两边，势能升高，最大值为Q。
➢ 一切物质都在永不停息的运动中。
➢ 振动的能量取决于温度。
➢ 结合能或激活能的概念
➢ 原子在一个位置的停留时间： A eQ/kt
➢ 原子的相互碰撞、相互传递能量，造成各原子热运动能量 不均等，且相差悬殊，这种能量不均匀性称为能量起伏。
➢
所有原子的平均能量决定于温度： EM
子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚 集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动 原子团簇之间存在着成分差异 。
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1200 ℃ 1550 ℃
1400 ℃ 1700 ℃
19
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 以仅含一种杂质元素为例:
①A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液
Hb / Hm
Al 660 (Hb /
Au
1063
Cu
1083
Fe
1536
2.50 3.06 3.11 3.63
2480 2950 2575 3070
69.6 81.8 72.8 81.3
27.8 26.7 23.4 22.4
Zn
420
1.73
907
27.5
16.0
Cd
321
1.53
765
23.8
1
本章学习内容： 从金属原子热运动出发，了解固体金属的熔
化过程，并通过熔化前后金属某些性质的变 化，对比固、液结构差异，分析液态金属的 结构特点，进一步分析其主要性质的物理本 质，以及这些性质与工艺因素之间的关系。
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第二章 液态金属的结构和性质
第一节 固体金属的加热与熔化 第二节 液态金属的结构 第三节 液态金属的性质 第四节 液态金属的充型能力 第五节 半固态合金的流变性及半固态成形
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第一节 固体金属的加热与熔化
1. 固体金属的热运动 由于同时存在着正离子之间和电子之间的库仑
力，因而原子间存在着一定的作用力之间和能量之 间的平衡关系，如图所示
2.金属的熔化
4
图1 金属原子A、B间作用力F和势能W与原子间距R的关系 图2 加热时原子间距和原子势能的变化
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1. 固体金属的热运动
Cu
fcc
Mg
hcp
Zn
hcp
Sn
complex
Ga
complex
N2
-
Ar
-
CH
-
Tm (K)
370 302 1809 931 1234 1356 924 692 505 303 63.1 83.78 90.67
Vm / Vs (%)
2.6 2.6 3.6 6.9 3.51 3.96 2.95 4.08 2.4 -2.9 7.5 14.4 8.7
中，高温时完全溶解，低温时析出FeS；
判断。 （1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和气化潜热
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，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。
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第二节 液态金属的结构
1.纯金属的液态结构
➢ 故液体既有很好的流动性，只要在重力场 的作用下，其外形就行随容器而变化。
16
第二节 液态金属的结构
2.实际金属的液态结构 杂质原子
量大
种类多
分布不均 存在方式不同
原子间结合力不同，产生的起伏
结构起伏
浓度起伏
能量起伏
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➢ “能量起伏” ➢ “结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 ➢ “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间的原