材料成形理論基礎(chǔ)

第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)§2.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)液態(tài)成形過程變化：體積變化固相的析出固相生長(zhǎng)過程中溶質(zhì)的再分配氣體和非金屬夾雜物的析出了解液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)目的：通過金屬的精煉、合金化、凈化、孕育和變質(zhì)控制金屬的結(jié)構(gòu)控制液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

結(jié)晶過程、晶粒組織、鑄件的偏析、氣體及非金屬夾雜物的數(shù)量、形狀和分布提高鑄件的質(zhì)量目前一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)§2.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)內(nèi)容：了解固態(tài)金屬的熔化過程對(duì)比固—液態(tài)的結(jié)構(gòu)分析液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液態(tài)金屬的主要性質(zhì)目前二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)§2.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)2.1.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)離子（正電荷）+共有電子庫(kù)倫引力

正離子間的庫(kù)倫斥力B原子所受A原子作用力、作用力引起的勢(shì)能與距離的關(guān)系加熱時(shí)原子間距和原子勢(shì)壘的變化目前三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)§2.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)2.1.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)高于絕對(duì)零度，原子在平衡位置為中心作三維熱運(yùn)動(dòng)原子的停留時(shí)間原子的平均能量（決定于溫度）

目前四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)§2.1液態(tài)金屬的基本性質(zhì)2.1.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)總有原子能克服勢(shì)壘，離開平衡位置，留下空位

活化原子能量等于或大于能量Q的原子數(shù)能量等于或大于能量的原子數(shù)

原子能量的統(tǒng)計(jì)分部目前五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.1.2液態(tài)金屬的熔化金屬的熔化熱震動(dòng)加劇,振幅增大，原子間平均距離增大，尺寸膨脹能量達(dá)到及大于Q的活化原子增多，空位數(shù)增加、晶界產(chǎn)生移動(dòng)熔化從晶界開始晶界上原子的排列方式不規(guī)則原子偏離平衡位置原子勢(shì)能高E>Q-WW-因原子不規(guī)則而產(chǎn)生的勢(shì)能熔化時(shí)不要求所有或絕大部分原子能量都達(dá)到或大于Q值熔化從晶界開始目前六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熔點(diǎn)附近晶粒之間的結(jié)合極大破壞晶粒之間更容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)晶粒內(nèi)部頻繁跳躍、轉(zhuǎn)移晶粒逐漸失去固定的形狀和尺寸具有流動(dòng)的液體提供能量進(jìn)一步破壞晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉脑蛹瘓F(tuán)金屬熔化過程及金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)研究方法間接方法固液轉(zhuǎn)變的一些物理性質(zhì)變化直接方法液態(tài)金屬的X線結(jié)構(gòu)分析液態(tài)中原子的排列情況固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)能量的變化Qs—固態(tài)激活能QL----液態(tài)激活能L------熔化潛熱目前七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)金屬熔化過程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)到氣態(tài)體積無限膨脹固態(tài)到液態(tài)，比容僅增加3-5%，原子間的距離增加1-1.5%，原子間具有較大的結(jié)合能，原子的分布仍具有一定的規(guī)律性FeCuf.c.c10834.22.3

Alf.c.c660.26.62.75Mgh.c.p6514.22.32Znh.c.p419.56.92.55晶體結(jié)構(gòu)熔點(diǎn)溫度/℃

體積變化/%熵值變化/J.K-1目前八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)金屬熔化過程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)到氣態(tài)的升華熱（原子間全部破壞所需的能量），熔化潛熱僅為升華熱的3-7%，熔化時(shí)原子間的結(jié)合僅破壞了百分之幾Fe1535307016.161354.287Cu1083259513.021305.636

Al660.2245010.676

284.534Mg65111039.043131.758Zn419.59066.698116.727熔點(diǎn)溫度/℃

沸點(diǎn)/℃熔化潛熱/KJ/mol汽化潛熱/KJ/mol

目前九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熔化后在不太高的過熱溫度下，液態(tài)結(jié)構(gòu)類似固態(tài)，而不是類似氣態(tài)，只是原子的熱運(yùn)動(dòng)大為加劇。溫度接近汽化溫度時(shí)(Tc)，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)與氣體金屬結(jié)構(gòu)難以區(qū)分，說明此時(shí)液態(tài)的結(jié)構(gòu)更接近氣體目前十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征偶分布函數(shù)g(r)粒子數(shù)為N、體積為V的任一體系距某一參考粒子r處找到另一粒子的幾率。表示離開參考原子距離為r位置的數(shù)密度ρ(r)對(duì)于平均數(shù)密度ρ0（=N/V)的相對(duì)偏差g(x)=1該位置的原子數(shù)密度等于整體系統(tǒng)的平均數(shù)密度氣體：偶分布函數(shù)在任何位置均相等，呈一條直線晶態(tài)固體：原子特定方式周期排列，g(r)以相應(yīng)的規(guī)律呈分立的若干尖銳峰。液態(tài)：g(r)出現(xiàn)若干漸衰的鈍化峰直至幾個(gè)原子間距后趨于直線，原子集團(tuán)半徑只有幾個(gè)原子間距大小非晶固態(tài)：與液態(tài)相似，但是往往以第二峰劈裂為特征。X-射線結(jié)構(gòu)分析目前十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

稍高于熔點(diǎn)時(shí)液態(tài)堿金屬的徑向分布函數(shù)

700oC時(shí)液態(tài)Al中原子分布曲線徑向分布函數(shù)(Radicaldistributionfunction(RDF))固態(tài)金屬中原子的停留時(shí)間長(zhǎng)，在衍射過程中主要是在平衡位置上作熱運(yùn)動(dòng)，衍射結(jié)果是一條條清晰線

液態(tài)金屬中除熱震動(dòng)外，瞬息萬變的跳躍衍射結(jié)構(gòu)為一條條帶第一個(gè)峰與固態(tài)極為相近液態(tài)金屬中原子的排列幾個(gè)原子間距的范圍內(nèi)與固態(tài)的排列方式基本一致球面上原子密度目前十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的理論模型（一）無規(guī)密堆硬球模型（RandomClosePacking)假設(shè)：液態(tài)是勻質(zhì)的、密度集中的、排列紊亂的原子的堆積體無晶體區(qū)域無大到足以容納另一個(gè)原子的空穴具體操作統(tǒng)計(jì)單個(gè)球接觸點(diǎn)的數(shù)目確定該結(jié)構(gòu)的平均配位數(shù)結(jié)果：紊亂堆積的球堆中存在高度致密區(qū)其它地區(qū)鋼球的排列紊亂鋼球之間有空隙目前十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液體結(jié)構(gòu)中存在五種間隙多面體類型四面體：73%八面體：20%三角棱柱多面體：3%四方十二面體：3%阿基米德反棱柱多面體1%(a)四面體(b)八面體(c)三角棱柱多面體(d)四方十二面體(e)阿基米德反棱柱多面體多面體相互關(guān)聯(lián)，彼此分享相接觸的多邊形面及其交線，構(gòu)成了液體的空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。液態(tài)結(jié)構(gòu)是單一的、隨時(shí)間和空間變化的相，多面體的體積和比列也隨溫度而連續(xù)變化373K時(shí)Na的結(jié)構(gòu)因子理論值與試驗(yàn)值比較鋼球模型的結(jié)構(gòu)因子鋼球模型的到的理論值與試驗(yàn)值比較相符鋼球模型和PY理論具有較強(qiáng)的說服力目前十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)(a)四面體(b)八面體(c)三角棱柱多面體(d)四方十二面體(e)阿基米德反棱柱多面體唯一能表達(dá)的解析式忽略了許多因素的影響，不能解釋晶體熔化相變的不連續(xù)性對(duì)于實(shí)際的液態(tài)金屬，特別是材料成形過程中使用的高熔點(diǎn)液態(tài)金屬，尚待進(jìn)一步完善目前十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)1.微晶模型

液態(tài)金屬有許多微小晶體和面缺陷組成（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型在微晶中，金屬原子或離子組成完整的晶體點(diǎn)陣，晶體之間以界面連接解釋了液態(tài)金屬中的短程有序性描述近液相線（低溫）液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)高溫液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行解釋目前十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型2.空穴模型

金屬晶體熔化時(shí)，在晶體網(wǎng)絡(luò)中形成大量的空穴，從而使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)失去了長(zhǎng)程有序性大量的空穴的存在使液態(tài)金屬易于發(fā)生切變，從而具有流動(dòng)性隨著溫度的升高，空位的數(shù)量不斷增加，表現(xiàn)為液態(tài)金屬的粘度減小目前十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型3.位錯(cuò)模型

液態(tài)金屬可以看成是一種被位錯(cuò)芯嚴(yán)重破壞的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特定溫度上，不含（或低密度）位錯(cuò)的固體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)由于高密度位錯(cuò)的突然出現(xiàn)而變成液體高位錯(cuò)密度的引入，使液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)不再具有長(zhǎng)程有序性液態(tài)金屬在外力的作用下具有流動(dòng)性目前十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型4.綜合模型

液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動(dòng)的原子的能量有高有低、同一原子的能量也隨時(shí)間不停的變化------能量起伏液態(tài)中由大量不停游動(dòng)的原子團(tuán)簇組成，團(tuán)簇本身在游動(dòng)----結(jié)構(gòu)起伏上述各種缺陷模型，從不同角度描述了過冷度不很大的液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特征模型難以定量計(jì)算目前十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

原子間仍保持較強(qiáng)的結(jié)合能，原子的排列在較小的距離內(nèi)仍具有一定的規(guī)律性在熔化過程中這種結(jié)合受到部分破壞，排列的規(guī)律性僅保持在較小的范圍內(nèi)，十幾個(gè)到幾百個(gè)原子，液態(tài)是有原子集團(tuán)組成，近程有序排列原子集團(tuán)處于瞬息萬變狀態(tài)原子集團(tuán)之間距離較大，猶如存在空穴原子集團(tuán)的平均尺寸、游動(dòng)速度與溫度有關(guān)目前二十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.1.4實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)存在第二種原子時(shí)，情況更為復(fù)雜同類原子結(jié)合力強(qiáng)A-AB-B

形成富A和富B的原子團(tuán)簇

同類原子（B-B)結(jié)合力比（A-A)

（A-B)較小時(shí)，B原子在原子集團(tuán)外圍和液體的界面上

同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力差別結(jié)合力較強(qiáng)的原子其它原子排擠到別處原子團(tuán)簇間有成分差異

異類原子結(jié)合力強(qiáng)A-B

形成新的化學(xué)鍵

不穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物結(jié)構(gòu)起伏

S在Fe中

Al2O3目前二十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.1.4實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬工業(yè)應(yīng)用的金屬主要是合金，多元合金原材料中存在多種多樣的雜質(zhì)在熔化過程中與爐氣、溶劑、爐襯相互作用，帶進(jìn)雜質(zhì)濃度起伏結(jié)構(gòu)起伏不穩(wěn)定的或穩(wěn)定的化合物目前二十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)1.液態(tài)結(jié)構(gòu)“短程有序”的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)

對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展Ubblelohode衍射試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)拓?fù)涠坛绦颍▎谓M員液體中）化學(xué)短程序（多組員液體中）

液體金屬球狀密排結(jié)構(gòu)以及層狀結(jié)構(gòu)Richter

X線衍射、中子及電子衍射

堿金屬、Au、Ag、Pb

拓?fù)淝驙蠲芘沤Y(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)Topologicalshort-rangeChemicalshort-range熔體液體尺寸范圍：10-6—10-7Sn、Ge、Ga具有共價(jià)鍵的

單組員液體

原子間共價(jià)鍵并未完全消失

與固體結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的四面體

局域拓?fù)溆行蚪Y(jié)構(gòu)目前二十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)1.液態(tài)結(jié)構(gòu)“短程有序”的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)

對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展Franks（非晶結(jié)構(gòu)）溫度范圍液相線附近和較大的過冷度條件下簡(jiǎn)單金屬中存在大量的二十面體原子集團(tuán)，比密排六方及面心立方的密排原子集團(tuán)低8%。Reichert

液態(tài)Pb局域結(jié)構(gòu)的五重對(duì)稱性

及二十面體的存在

推測(cè)二十面體存在于所有的單

組元簡(jiǎn)單液體液體中由12個(gè)原子構(gòu)成的二十面體結(jié)構(gòu)及其分解的三個(gè)正交矩形平面目前二十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)多組員液體中

對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展

同時(shí)存在拓?fù)涠坛绦蚝突瘜W(xué)短程序

對(duì)于尺寸較大的拓?fù)浼盎瘜W(xué)有序提出中程序的概念對(duì)應(yīng)于徑向分布函數(shù)RDF第一及第二峰的最近鄰和次近鄰配位層以內(nèi)的有序性為短程，范圍一般為

中程序處于大于短程序但遠(yuǎn)小于晶體的長(zhǎng)程的有序情況

Al-Fe熔體中程序的超結(jié)構(gòu)模型（我國(guó)）目前二十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)離液相線不遠(yuǎn)的溫度范圍液-氣臨界點(diǎn)兩者之間

Ca、Cs、Bi、Te變化壓力誘導(dǎo)非連續(xù)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變理論上分析過冷條件下的壓力誘導(dǎo)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)菀装l(fā)生在低壓下具有開放型配位的分子結(jié)構(gòu)液態(tài)物質(zhì)中。PoolepublishedinScience

Katayama

對(duì)P衍射結(jié)構(gòu)P=1GPa左右在極小的壓力差范圍內(nèi)，其結(jié)構(gòu)僅幾分鐘就發(fā)生十分明顯的變化，液態(tài)P由低密度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏冉Y(jié)構(gòu)，而且這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變可逆。

意義：第一次為壓力誘導(dǎo)形成非連續(xù)液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供了直接的試驗(yàn)依據(jù)，表明人類必須修正傳統(tǒng)的液體結(jié)構(gòu)連續(xù)變化的觀念，并重新考慮對(duì)液體結(jié)構(gòu)的整體認(rèn)識(shí)。2.液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變新發(fā)現(xiàn)及啟示

隨溫度壓力有無變化如何變化目前二十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性

1）液態(tài)金屬的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度粘度系數(shù)簡(jiǎn)稱粘度，牛頓公式：

----外加切應(yīng)力---運(yùn)動(dòng)速度---速度梯度----動(dòng)力粘度物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力與垂直該平面方向的速度梯度的比例系數(shù)牛頓流體非牛頓流體目前二十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素溫度金屬的動(dòng)力粘度與溫度的關(guān)系Fe-C合金的動(dòng)力粘度---原子在平衡位置的震動(dòng)周期---波爾茨曼常數(shù)---絕對(duì)溫度---相鄰原子平衡位置間的平均距離---原子移動(dòng)的激活能

富林開爾公式目前二十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素化學(xué)成分

---兩組員混合熱Moelwyn-Hughes(M-H)模型

分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的粘度及各自在溶液中的mole分?jǐn)?shù)，R為氣體常數(shù)接近共晶成分的合金粘度具有最低值目前二十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素雜質(zhì)的數(shù)量、形狀和分布液態(tài)金屬中呈固態(tài)的非金屬夾雜物使液態(tài)金屬的粘度增加目前三十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性粘度對(duì)液態(tài)金屬臨界速度的影響

層流與紊流

雷諾數(shù)直徑流動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)粘度層流

流動(dòng)阻力減少有利于氣體和夾雜物上浮目前三十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性對(duì)液態(tài)金屬流量的影響

液態(tài)金屬粘度對(duì)流速和鑄型的充型能力影響目前三十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性粘度對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響

氣泡非金屬夾雜物

Stokes公式半徑小于0.1cm粘性液體對(duì)球體沉浮的阻力小球半徑小球上浮速度液體的動(dòng)力粘度

粘度夾雜半徑液體與雜質(zhì)的密度差目前三十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的粘滯性對(duì)液態(tài)金屬對(duì)流的影響格拉曉夫準(zhǔn)則溫度和濃度引起的體積膨脹系數(shù)溫差濃度差水平方向上熱端到冷端距離的一半溫度差產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度濃度差產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度目前三十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象

液態(tài)金屬的表面張力表面：表面上的分子或原子受力不均勻，產(chǎn)生指向金屬內(nèi)部的合力。原子間的作用力及其在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別引起的。

表面的定義：液體或固體同氣體或真空接觸的面不同位置的分子或原子作用力模型

表面的分子或原子

內(nèi)部的分子或原子目前三十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象

液態(tài)金屬的表面張力表面：液體或固體同氣體或真空接觸的面叫表面。表面上的分子或原子受力不均勻，產(chǎn)生指向金屬內(nèi)部的合力。

受拉伸的小塊表面薄膜單位表面積上的能量

表面張力和表面自由能是不同的物理概念

大小相同，單位互換

不同角度描述同一表面現(xiàn)象目前三十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)表面張力引起的附加壓力

影響表面張力的因素

溫度

多數(shù)金屬及合金，溫度增加，表面張力降低

反?，F(xiàn)象，溫度升高，表面張力增加，Cu,castiron

球形氣泡與曲率半徑成反比目前三十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

溫度對(duì)表面張力的影響目前三十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)溶質(zhì)元素的影響

使液態(tài)金屬表面張力降低

表面活性物質(zhì)使液態(tài)金屬表面張力增加非表面活性物質(zhì)正吸附溶質(zhì)在表面的濃度大于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度負(fù)吸附溶質(zhì)在表面的濃度小于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度--單位面積上的吸附量正吸附表面活性元素含量增加表面張力降低負(fù)吸附非表面活性元素含量增加表面張力上升Gibbs公式目前三十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)Al中加入第二組元后表面張力的變化Mg中加入第二組元后表面張力的變化合金元素對(duì)表面張力的影響目前四十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)S、O、Te、Se對(duì)鑄鐵表面張力的影響目前四十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

液—固---氣界面的界面現(xiàn)象1）內(nèi)聚功和附著功

內(nèi)聚功W內(nèi)

附著功W附

LLL1cm2σLGσLGLSLSσLGσSG目前四十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2）液---固界面上的界面現(xiàn)象1）2）各界面上諸力對(duì)于質(zhì)點(diǎn)A的作用簡(jiǎn)圖目前四十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2）液---固界面上的界面現(xiàn)象附加壓力的形成過程Left

固-液潤(rùn)濕

Right

固-液不潤(rùn)濕克服鑄型表面張力，必須附加壓力液態(tài)金屬的表面張力越大，要求附加壓力越大對(duì)于一定的金屬材料和鑄型材料，管道半徑越小，附加壓力越大目前四十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.2.結(jié)晶的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)

凝固的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的條件凝固----傳熱的角度結(jié)晶----物理化學(xué)角度（指晶態(tài)的凝固過程，非晶態(tài)也凝固）結(jié)晶的過程：生核和生長(zhǎng)對(duì)同一過程的不同角度的描述

目前四十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)自發(fā)生核由游動(dòng)的原子集團(tuán)自己逐漸長(zhǎng)大形成晶核的過程

Homogeneousnucleation

非自發(fā)生核在外來質(zhì)點(diǎn)的表面上生核的過程

Heterogeneousnucleation

生核過程生核過程是液體中的游動(dòng)原子集團(tuán)逐漸長(zhǎng)大到一定尺寸，形成固體質(zhì)點(diǎn)，使周圍原子向上堆砌的過程目前四十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.2.1液態(tài)金屬（合金）結(jié)晶熱力學(xué)條件1.熱力學(xué)

T>TMFL<FS

固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變

T<TMFL>FS

液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變

T=TMFL=FS

兩相處于平衡兩種狀態(tài)的自由能差是液態(tài)結(jié)晶的熱力學(xué)條件

自由能與溫度的關(guān)系FsFL目前四十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)體系自由能目前四十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系

相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能

阻礙相變達(dá)的固-液界面能形成一個(gè)晶核總的自由能變化總自由能體系能界面能晶核體積晶核表面積

體系自由能界面能總的自由能變化目前四十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能阻礙相變達(dá)的固-液界面能--臨界晶核半徑目前五十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能阻礙相變達(dá)的固-液界面能臨界晶核半徑過冷度增加，臨界半徑減少較小的原子集團(tuán)也能成為晶核晶核數(shù)量增加生核功晶核不穩(wěn)定，逐漸消失成為穩(wěn)定晶核目前五十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.動(dòng)力學(xué)--液態(tài)金屬中原子擴(kuò)散激活能--生核功--Boltzmann常數(shù)--系數(shù)

生核功隨過冷度增大而減小

過冷度增大，生核速率增大

過冷度增大時(shí)原子熱運(yùn)動(dòng)減

弱，生核速度相應(yīng)減少

原子集團(tuán)的平均半徑最大原子集團(tuán)半徑臨界晶核尺寸形核率單位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目目前五十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.動(dòng)力學(xué)形核率單位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目過冷度的影響

過冷度很小時(shí)

過冷度增加

臨界過冷度，形核率迅速上升

過冷度與熔點(diǎn)的關(guān)系

過冷很大時(shí)粘度

原子活動(dòng)能金屬I粘性物質(zhì)△T△T*≈0.2Tm目前五十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)勻質(zhì)形核理論的局限性

純金屬過冷實(shí)際液態(tài)金屬凝固時(shí)的過冷度多種夾雜物含有同質(zhì)的原子集團(tuán)0.58℃0.15℃目前五十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前五十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)非自發(fā)生核1、熱力學(xué)液相與固相之間的界面張力液相與質(zhì)點(diǎn)之間的界面張力固相與質(zhì)點(diǎn)間的界面張力目前五十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶核與夾雜物的接觸面積晶核與液體體的接觸面積球冠體積目前五十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前五十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前五十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前六十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)潤(rùn)濕與界面上兩相的相應(yīng)界面的結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合力的關(guān)系固體質(zhì)點(diǎn)的原子與新相的原子間具有較大的結(jié)合力或鍵能較強(qiáng)質(zhì)點(diǎn)表面的原子排列規(guī)律和間距與新相相近

相位尺寸對(duì)應(yīng)原則界面共格對(duì)應(yīng)原則

目前七十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)b)a)完全共格b)部分共格目前七十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前七十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前八十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)抑制形核目前八十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)選擇形核目前八十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)目前八十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)

生核

液體中原子向晶體表面堆砌目前八十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)的原子過程固液界面上原子的雙向運(yùn)動(dòng)目前八十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)><=

界面不斷生長(zhǎng)，界面上的溫度必須低于熔點(diǎn)

此過冷稱為動(dòng)力學(xué)過冷，

動(dòng)力學(xué)過冷的作用液相向固相跳躍和定居的速度固相向液相跳躍和定居的速度平衡狀態(tài)熔化狀態(tài)凝固狀態(tài)目前八十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)必須導(dǎo)出多余的熱量液體內(nèi)部熱量凝固時(shí)析出的潛熱保持過冷度界面生長(zhǎng)速度

液體內(nèi)部向界面?zhèn)鬟f的熱量單位時(shí)間向界面上析出的結(jié)晶潛熱通過界面向外部散出的熱量晶體生長(zhǎng)速度的影響因素晶體生長(zhǎng)速度控制目前八十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)固-液界面的結(jié)構(gòu)

粗糙界面平整界面粗糙界面固-液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置原子層50%充滿，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)液-固向之間的過度區(qū)目前八十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)固-液界面的結(jié)構(gòu)

粗糙界面平整界面平整界面固-液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置幾乎全部為固相原子所占滿，只留下少數(shù)空位或臺(tái)階目前八十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十一頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十二頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原子熔化熱熔化溫度Boltzman常數(shù)氣體常數(shù)晶體中原子的可能臨近原子數(shù)表面層中原子的實(shí)際臨近原子數(shù)熔化熵目前九十三頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)界面自由能變化與界面上原子所占位置分?jǐn)?shù)的關(guān)系目前九十四頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十五頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十六頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十七頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十八頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)目前九十九頁\總數(shù)一百二十頁\編于一點(diǎn)第二章液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)