凝固熱力學(xué)一次課

Prof.Dr.Prof.Dr.X.B.Zhao《ThermodynamicsPhaseDiagrams》課第一節(jié)液態(tài)第一節(jié)液態(tài)金屬第三節(jié)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)第四 固--液界面成分及界面溶質(zhì)分配系第二固熱—、加熱時(shí)固體金屬的膨脹與熔化—、加熱時(shí)固體金屬的膨脹與熔化二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)三、液態(tài)金屬一、加熱時(shí)固體金屬的膨脹與熔化一、加熱時(shí)固體金屬的膨脹與熔化力排斥排斥結(jié)合結(jié)合Bd0ABA原子間距原子間距力排斥排斥結(jié)合結(jié)合Bd0ABA原子間距原子間距吸引吸引圖1金屬原子A、B間作用力F和勢(shì)能W與原子間距R的關(guān)（a）作用力與原子間距的關(guān)系（b）圖3原子能壘示圖3原子能壘示熔點(diǎn)附近：空穴數(shù)目可達(dá)原子總數(shù)的1%原子間距增加+空穴數(shù)目增加排斥結(jié)合BA原子間距吸引排斥結(jié)合BA原子間距吸引原子間距達(dá)到某一dc結(jié)合鍵突然破壞原子間距和空穴數(shù)目突熔化時(shí)，體積突然膨脹電阻、粘度等產(chǎn)生突變；二液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)二液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)熔化潛熱：僅為升華熱的體積變化：固→氣：體積無(wú)限膨脹；原子間距1～1.5％；表1-1金屬熔化時(shí)典型的體積變化ΔVm為熔化時(shí)的體積增量ΔVm/Vs(J.K-1.mol-表1-1金屬熔化時(shí)典型的體積變化ΔVm為熔化時(shí)的體積增量ΔVm/Vs(J.K-1.mol--表1-幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱Hb/表1-幾種晶體物質(zhì)的熔化潛熱（Hm）和氣化潛熱Hb/因此，金屬的熔化并不是原子間結(jié)合的全部破壞，液體金屬內(nèi)原子的分布仍具有一定的規(guī)律性，其結(jié)構(gòu)類似于固態(tài)。而不是類似氣體。液態(tài)金屬結(jié)因此，金屬的熔化并不是原子間結(jié)合的全部破壞，液體金屬內(nèi)原子的分布仍具有一定的規(guī)律性，其結(jié)構(gòu)類似于固態(tài)。而不是類似氣體。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)①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)仍具有一定規(guī)律性，且原子間距增加不大。②原子集團(tuán)的“近程有序”排列；即小范圍保持規(guī)律性。③原子集團(tuán)時(shí)刻在變化④原子集團(tuán)之間距離較大，比較松散，猶如存在“空隙 原子集團(tuán)的尺寸、游動(dòng)速度與溫度有關(guān)熔化時(shí)，金屬鍵只是少部分破壞以Al為例而熔化潛熱只相當(dāng)于汽化潛熱的相當(dāng)于熔化時(shí)結(jié)合鍵只是破壞了6X（1/27.8）=0.2140012001400120015501700液相中不僅空穴數(shù)量巨大，而且有原子團(tuán)間的縫隙兩個(gè)液相中不僅空穴數(shù)量巨大，而且有原子團(tuán)間的縫隙兩個(gè)值得注意的現(xiàn)象：1、大部分金屬熔化時(shí)電阻率增加？2、原子集團(tuán)間“縫隙”與非晶態(tài)合金中自由體積的關(guān)系液非晶固Free液體、非晶態(tài)合金、晶態(tài)液非晶固Free液體、非晶態(tài)合金、晶態(tài)合金《Bulk《BulkmetallicglassSmallerisSmallerissofter較小的部位——較小的冷速快——冷速快即“凍結(jié)——凍結(jié)快則自由體積剩余多——自由體積多則容許變形彎曲，表現(xiàn)出一定的塑性。結(jié)構(gòu)起伏濃度起伏結(jié)構(gòu)起伏濃度起伏能量起伏分布不均種類多量雜質(zhì)原子濃度起伏指在多組元液態(tài)金屬中，由于同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，把別的原子排擠到別濃度起伏指在多組元液態(tài)金屬中，由于同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，把別的原子排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異，而且這種局域成分的不均勻性隨原子熱運(yùn)動(dòng)在不時(shí)發(fā)生著變化的現(xiàn)象結(jié)構(gòu)起伏指液態(tài)金屬中大量不?！坝蝿?dòng)”著的原子團(tuán)簇不斷分化組合，由于“能量起伏”，一部分金屬原子（離子）從某個(gè)團(tuán)簇中分化出去，同時(shí)又會(huì)有另一些原子組合到該團(tuán)簇中，這樣此起彼伏，不斷發(fā)生著的漲落過程，似乎團(tuán)簇本身在“游動(dòng)”一樣，團(tuán)簇的尺寸及內(nèi)部原子數(shù)量都隨時(shí)間和空間發(fā)生著改變的現(xiàn)象能量起伏指液態(tài)金屬中處于熱運(yùn)動(dòng)的原子能量有高有低，同一原子的能量實(shí)際液態(tài)金屬在微觀結(jié)構(gòu)上相當(dāng)復(fù)雜，存在著大量時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏的原子團(tuán)簇、空穴等，同時(shí)也含有各種固態(tài)、氣態(tài)雜質(zhì)或化合物，表現(xiàn)為三種起伏特征交替，是一種“渾濁”液體。實(shí)際液態(tài)金屬在微觀結(jié)構(gòu)上相當(dāng)復(fù)雜，存在著大量時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏的原子團(tuán)簇、空穴等，同時(shí)也含有各種固態(tài)、氣態(tài)雜質(zhì)或化合物，表現(xiàn)為三種起伏特征交替，是一種“渾濁”液體。X-射線中子散X-射線中子散平均原子間距r1和配位數(shù)液態(tài)結(jié)構(gòu)衍射研究原液態(tài)結(jié)構(gòu)衍射研究原理與步驟6、獲得配位數(shù)NI=??min4πr2ρ 5、獲得徑向分布函數(shù)R（r）4πr2ρ04、獲得偶關(guān)聯(lián)（雙體分布）函 g（r）=ρ（r）/ ;其中3、獲得金屬全密度函數(shù)ρ（r）=N- ??≠????(??+?????2、獲得金屬全結(jié)構(gòu)因子S(q)；S(q)Icoh(q)/Nf1、獲得散射強(qiáng)IcohIcoh(q)=f ??????????????????氣偶分布函數(shù)g原子r=0)距離為ρ(r)對(duì)于平均數(shù)密度ρ0（=N/V）21ra0-氣體中粒子的平均自由程液210r非晶固210r-液體氣偶分布函數(shù)g原子r=0)距離為ρ(r)對(duì)于平均數(shù)密度ρ0（=N/V）21ra0-氣體中粒子的平均自由程液210r非晶固210r-液體的平均原1r晶態(tài)固g(r)=ρ(r)/r0氣體、液體、非晶及晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及衍射特征徑向分布上徑向分布上式表r之間的球殼中原子數(shù)的多少。4r2gr0配位數(shù)N1—RDF第一峰之下的積分面積配位數(shù)N1—RDF第一峰之下的積分面積表示參考原子周圍最近鄰(第一殼層)原子數(shù)（如圖表示參考原子與其周圍第一配位層各原子的平均原子間距，也表示某液體的平均液體平均原子間距r1和N1被認(rèn)為是液體最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖液體配位數(shù)Ｎ１的求N X-射線衍射X-射線衍射SYNCHROTRONRADIATIONLIGHT寬波段高準(zhǔn)直：與激光媲美。高偏振：得到任意偏振狀態(tài)的光高亮度：是X光機(jī)的上千億倍。窄脈沖可精確預(yù)高度穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干中子特點(diǎn)中子散中子特點(diǎn)中子散分子水平的研究手段分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和材料的動(dòng)力學(xué)特征不帶電，不與物質(zhì)分子的外層電子發(fā)生作用只與原子核發(fā)生相互作用對(duì)于原子序數(shù)敏感，適于研究傳統(tǒng)方法難于檢測(cè)的輕元素特別適合研究和檢測(cè)“氫原子”—對(duì)藥物和化工研究至關(guān)重概念的提出：法國(guó)鑄造工業(yè)技術(shù)中心爐料的某些特性，在鑄件中得以體現(xiàn)性能指標(biāo)概念的提出：法國(guó)鑄造工業(yè)技術(shù)中心爐料的某些特性，在鑄件中得以體現(xiàn)性能指標(biāo)過渡（熔體階段終過渡（熔體階段終（鑄件產(chǎn)品始