材料成形理論基礎(chǔ)2(2016)

1、第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)變化：變化：體積變化體積變化 固相的析出固相的析出 固相生長(zhǎng)過(guò)程中溶質(zhì)的再分配固相生長(zhǎng)過(guò)程中溶質(zhì)的再分配 氣體和非氣體和非金屬夾雜物的析出金屬夾雜物的析出了解液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)了解液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)目的：目的：通過(guò)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)通過(guò)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)控制液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 結(jié)晶過(guò)程、晶粒組織、鑄件的偏析、氣體及非金屬夾雜物的數(shù)量、結(jié)晶過(guò)程、晶粒組織、鑄件的偏析、氣體及非金屬夾雜物的數(shù)量、形狀和分布形狀和分布 提高鑄件的質(zhì)量

2、提高鑄件的質(zhì)量第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)內(nèi)容：p 了解固態(tài)金屬的熔化過(guò)程了解固態(tài)金屬的熔化過(guò)程p 對(duì)比固對(duì)比固液態(tài)的結(jié)構(gòu)液態(tài)的結(jié)構(gòu)p 分析液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)p 液態(tài)金屬的主要性質(zhì)液態(tài)金屬的主要性質(zhì)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)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)離子（正電荷）離子（正電荷）+ 共有電子共有電子 庫(kù)倫引力庫(kù)倫引力 正離子間的庫(kù)倫斥力正離子間的庫(kù)倫斥力B原子所受原子所受A原子作用力、作用力原子作用力、作用力引起的勢(shì)能與距離的關(guān)系引起的勢(shì)能與距離的關(guān)系加熱時(shí)原子間距和原加熱時(shí)原子間距和

3、原子勢(shì)壘的變化子勢(shì)壘的變化第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)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)置為中心作三維熱運(yùn)動(dòng)p原子的停留時(shí)間原子的停留時(shí)間 p原子的平均能量（決定于溫度）原子的平均能量（決定于溫度） KTQeA/kTEM23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)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)一、液態(tài)金屬的熱運(yùn)動(dòng)總總有原子能克服勢(shì)壘，有原子能克服勢(shì)壘， 離開(kāi)離開(kāi)平衡位置，平衡位置， 留下空位留下空位 活化原子活化原子能量等于或大于能量能量等于或大于能量Q的原子數(shù)的原子數(shù)能量等于或大于能量能量等于或大于能量

4、的原子數(shù)的原子數(shù)nkTQNen/kTEEQennQ/EQnEQ 原子能量的統(tǒng)計(jì)分部原子能量的統(tǒng)計(jì)分部第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)金屬的熔化金屬的熔化l 熱震動(dòng)加劇熱震動(dòng)加劇, 振幅增大，原子間平均距離增大，尺寸膨脹振幅增大，原子間平均距離增大，尺寸膨脹l 能量達(dá)到及大于能量達(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)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(kāi)始熔化從晶界開(kāi)始 晶界上原子的排列方式不規(guī)則晶界上原子的排列方式不規(guī)則 原子偏離平衡位置原子偏離平衡位置 原子勢(shì)能高原子勢(shì)能高 EQ-WW-因原子不規(guī)則而產(chǎn)生的勢(shì)能因原子不規(guī)則而產(chǎn)生的勢(shì)能l熔化時(shí)不要求所有

5、或熔化時(shí)不要求所有或絕大部分原子能量都絕大部分原子能量都達(dá)到或大于達(dá)到或大于Q值值l熔化從晶界開(kāi)始熔化從晶界開(kāi)始第二章 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)附近熔點(diǎn)附近晶粒之間的結(jié)合極大破壞晶粒之間的結(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)移晶粒內(nèi)部頻繁跳躍、轉(zhuǎn)移晶粒逐漸失去固定的形狀和尺寸晶粒逐漸失去固定的形狀和尺寸具有流動(dòng)的液體具有流動(dòng)的液體p提供能量進(jìn)一步破壞提供能量進(jìn)一步破壞p晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉脑蛹瘓F(tuán)晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉脑蛹瘓F(tuán)金屬熔化過(guò)程及金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)研究方法金屬熔化過(guò)程及金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)研究方法l間接方法間接方法 固液轉(zhuǎn)變的一些物理性質(zhì)變化固

6、液轉(zhuǎn)變的一些物理性質(zhì)變化l直接方法直接方法 液態(tài)金屬的液態(tài)金屬的X線結(jié)構(gòu)分析線結(jié)構(gòu)分析 液態(tài)中原子的排列情況液態(tài)中原子的排列情況固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)能固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)能量的變化量的變化Qs固態(tài)激活能QL-液態(tài)激活能L-熔化潛熱第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)金屬熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)金屬熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)p固態(tài)到氣態(tài)固態(tài)到氣態(tài) 體積無(wú)限膨脹體積無(wú)限膨脹 p固態(tài)到液態(tài)，比容僅增加固態(tài)到液態(tài)，比容僅增加3-5%，原子間的距離增加，原子間的距離增加1-1.5%， 原原子間具有較大的結(jié)合能，原子的分布仍子間具有較大的結(jié)合能，原子的分布仍具有一定

7、的規(guī)律性具有一定的規(guī)律性lFe f.C.C/bC.C 1535 0.4-4.4 2.0lCu f.c.c 1083 4.2 2.3 lAl f.c.c 660.2 6.6 2.75lMg h.c.p 651 4.2 2.32lZn h.c.p 419.5 6.9 2.55晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 熔點(diǎn)溫度熔點(diǎn)溫度/ 體積變化體積變化/% 熵值變化熵值變化/J.K-1第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)金屬熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)金屬熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)p固態(tài)到氣態(tài)的升華熱（原子間全部破壞所需的能量），熔化固態(tài)到氣態(tài)的升華熱（原子間全部破壞所需的能量

8、），熔化 潛熱僅為升華熱的潛熱僅為升華熱的3-7%，熔化時(shí)原子間的結(jié)合僅破壞了百，熔化時(shí)原子間的結(jié)合僅破壞了百 分之幾分之幾lFe 1535 3070 16.161 354.287lCu 1083 2595 13.021 305.636 lAl 660.2 2450 10.676 284.534lMg 651 1103 9.043 131.758lZn 419.5 906 6.698 116.727熔點(diǎn)溫度熔點(diǎn)溫度/ 沸點(diǎn)沸點(diǎn)/ 熔化潛熱熔化潛熱/KJ/mol 汽化潛熱汽化潛熱/KJ/mol 第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)u熔化后在不太高

9、的過(guò)熱溫度下，液態(tài)結(jié)構(gòu)類(lèi)似固熔化后在不太高的過(guò)熱溫度下，液態(tài)結(jié)構(gòu)類(lèi)似固 態(tài)，而不是類(lèi)似氣態(tài)，只是原子的熱運(yùn)動(dòng)大為加態(tài)，而不是類(lèi)似氣態(tài)，只是原子的熱運(yùn)動(dòng)大為加 劇。劇。u溫度接近汽化溫度時(shí)溫度接近汽化溫度時(shí)(Tc)(Tc)，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)與氣體金，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)與氣體金 屬結(jié)構(gòu)難以區(qū)分，說(shuō)明此時(shí)液態(tài)的結(jié)構(gòu)更接近氣體屬結(jié)構(gòu)難以區(qū)分，說(shuō)明此時(shí)液態(tài)的結(jié)構(gòu)更接近氣體第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)偶分布函數(shù)偶分布函數(shù) g(r) 粒子數(shù)為粒子數(shù)為N、體積為、體積為V的任一體系的任一體系距某一參考粒子距某一參考粒子r處找到另一粒子的處找到另一粒子的幾率幾率。

10、表示離開(kāi)參考原子距離為表示離開(kāi)參考原子距離為r位置的數(shù)密度位置的數(shù)密度(r)對(duì)于平均數(shù)密度對(duì)于平均數(shù)密度0（=N/V)的的相對(duì)偏差相對(duì)偏差g(x)=1該位置的原子數(shù)密度等于整體系統(tǒng)的該位置的原子數(shù)密度等于整體系統(tǒng)的平均平均數(shù)密度數(shù)密度氣體：偶分布函數(shù)在任何位置均相等，氣體：偶分布函數(shù)在任何位置均相等，呈一條直呈一條直線線晶態(tài)固體：原子特定方式周期排列，晶態(tài)固體：原子特定方式周期排列，g(r)以相應(yīng)以相應(yīng)的規(guī)律呈分立的的規(guī)律呈分立的若干尖銳峰若干尖銳峰。液態(tài)：液態(tài)：g(r)出現(xiàn)若干漸衰的出現(xiàn)若干漸衰的鈍化峰鈍化峰直至幾個(gè)原子直至幾個(gè)原子間距后趨于直線，原子集團(tuán)半徑只有幾個(gè)原子間間距后趨于直線，原

11、子集團(tuán)半徑只有幾個(gè)原子間距大小距大小非晶固態(tài)：與液態(tài)相似，但是往往以非晶固態(tài)：與液態(tài)相似，但是往往以第二峰劈裂第二峰劈裂為特征。為特征。X-射線結(jié)構(gòu)分析射線結(jié)構(gòu)分析第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué) 700oC時(shí)液態(tài)時(shí)液態(tài)Al中原子分布曲線中原子分布曲線徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)(Radical distribution function(RDF)p固態(tài)金屬中原子的停留時(shí)間固態(tài)金屬中原子的停留時(shí)間長(zhǎng)，在衍射過(guò)程中主要是在平長(zhǎng)，在衍射過(guò)程中主要是在平衡位置上作熱運(yùn)動(dòng)，衍射結(jié)果衡位置上作熱運(yùn)動(dòng)，衍射結(jié)果是是一條條清晰線一條條清晰線p 液態(tài)金屬中除熱

12、震動(dòng)外，瞬液態(tài)金屬中除熱震動(dòng)外，瞬息萬(wàn)變的跳躍息萬(wàn)變的跳躍p 衍射結(jié)構(gòu)為衍射結(jié)構(gòu)為一條條帶一條條帶p 第一個(gè)峰與固態(tài)極為相近第一個(gè)峰與固態(tài)極為相近p液態(tài)金屬中原子的排列幾個(gè)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)的排原子間距的范圍內(nèi)與固態(tài)的排列方式基本一致列方式基本一致drr24球面上原子密度球面上原子密度第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型（一）無(wú)規(guī)密堆硬球模型（Random Close Packing)假設(shè)：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(wú)晶

13、體區(qū)域無(wú)晶體區(qū)域 無(wú)大到足以容納另一個(gè)原子的空穴無(wú)大到足以容納另一個(gè)原子的空穴具體操作具體操作統(tǒng)計(jì)單個(gè)球接觸點(diǎn)的數(shù)目統(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)確定該結(jié)構(gòu)的平均配位數(shù)結(jié)果：結(jié)果：紊亂堆積的球堆中存在高度致密區(qū)紊亂堆積的球堆中存在高度致密區(qū)其它地區(qū)鋼球的排列紊亂其它地區(qū)鋼球的排列紊亂鋼球之間有空隙鋼球之間有空隙drrrgNmrr20)(40第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)多面體相互關(guān)聯(lián)，彼此分享相接觸的多邊形多面體相互關(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)。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)

14、。液態(tài)結(jié)構(gòu)是單一的、隨時(shí)間和空間變化的相，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)變化多面體的體積和比列也隨溫度而連續(xù)變化)(qS鋼球模型的結(jié)構(gòu)因子鋼球模型的結(jié)構(gòu)因子p 鋼球模型的到的理論值與試驗(yàn)值比較相符鋼球模型的到的理論值與試驗(yàn)值比較相符p 鋼球模型和鋼球模型和PY理論具有較強(qiáng)的說(shuō)服力理論具有較強(qiáng)的說(shuō)服力第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)l唯一能表達(dá)的解析式唯一能表達(dá)的解析式l忽略了許多因素的影響，忽略了許多因素的影響，l不能解釋晶體熔化相變的不連續(xù)性不能解釋晶體熔化相變的不連續(xù)性l對(duì)于實(shí)際的液態(tài)金屬，特別

15、是材料成形過(guò)對(duì)于實(shí)際的液態(tài)金屬，特別是材料成形過(guò) 程中使用的高熔點(diǎn)液態(tài)金屬，尚待進(jìn)一步程中使用的高熔點(diǎn)液態(tài)金屬，尚待進(jìn)一步 完善完善第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型第二章第二章 液態(tài)

16、金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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（二）液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的晶體缺陷模型n上述各種缺陷模型，從不同角度描述了過(guò)冷度不很大的液態(tài)金上述各種缺陷模型，從不同角度描述了過(guò)冷度不很大的液態(tài)金 屬的結(jié)構(gòu)特征屬的結(jié)構(gòu)特征n模型難以定量計(jì)算模型難以定量計(jì)算第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)p 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)律性定的規(guī)律性p 在熔化過(guò)程中這種結(jié)合受到部分破壞，排列的規(guī)

17、律性?xún)H保持在較小的范在熔化過(guò)程中這種結(jié)合受到部分破壞，排列的規(guī)律性?xún)H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p 原子集團(tuán)處于瞬息萬(wàn)變狀態(tài)原子集團(tuán)處于瞬息萬(wàn)變狀態(tài)p 原子集團(tuán)之間距離較大，猶如存在空穴原子集團(tuán)之間距離較大，猶如存在空穴p 原子集團(tuán)的平均尺寸、游動(dòng)速度與溫度有關(guān)原子集團(tuán)的平均尺寸、游動(dòng)速度與溫度有關(guān)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.1.4 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)p 存在第二種原子時(shí)，情況更為復(fù)雜存在第二種原子時(shí)，情況更為復(fù)雜l

18、 同類(lèi)原子結(jié)合力強(qiáng) A-A B-Bl 形成富A和富B的原子團(tuán)簇 l 同類(lèi)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l 同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力差別同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力差別l 結(jié)合力較強(qiáng)的原子結(jié)合力較強(qiáng)的原子 l 其它原子排擠到別處其它原子排擠到別處l 原子團(tuán)簇間有成分差異原子團(tuán)簇間有成分差異 l 異類(lèi)原子結(jié)合力強(qiáng) A-Bl 形成新的化學(xué)鍵 不穩(wěn)定化合物 穩(wěn)定化合物u結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏 S 在Fe中 Al2O3第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.1.4 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)p實(shí)

19、際金屬實(shí)際金屬工業(yè)應(yīng)用的金屬主要是合金，多元合金工業(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)原材料中存在多種多樣的雜質(zhì) 在熔化過(guò)程中與爐氣、溶劑、爐襯相互作用，帶進(jìn)雜質(zhì)在熔化過(guò)程中與爐氣、溶劑、爐襯相互作用，帶進(jìn)雜質(zhì) 濃度起伏濃度起伏 結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏 不穩(wěn)定的或穩(wěn)定的化合物不穩(wěn)定的或穩(wěn)定的化合物第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展對(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)衍射試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)拓?fù)涠坛绦蛲負(fù)涠坛绦?（單組員液體中）（單組員液體中）化學(xué)短

20、程序化學(xué)短程序 （多組員液體中）（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)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、中子及電子衍射線衍射、中子及電子衍射 堿金屬、堿金屬、Au、Ag、Pb 拓?fù)淝驙蠲芘沤Y(jié)構(gòu)拓?fù)淝驙蠲芘沤Y(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)Topological short-rangeChemical short-range熔體液體尺寸范圍：10-610-7 Sn、Ge、Ga具有共價(jià)鍵的具有共價(jià)鍵的 單組員液體單組員液體 原子間共價(jià)鍵并未完全消失原子間共價(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)局域拓?fù)溆行蚪Y(jié)構(gòu) 第二章第二章 液

21、態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展對(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)）（非晶結(jié)構(gòu)）溫度范圍溫度范圍 液相線附近和較大的過(guò)液相線附近和較大的過(guò)冷度條件下冷度條件下簡(jiǎn)單金屬中存在大量的簡(jiǎn)單金屬中存在大量的二十面體原二十面體原子集團(tuán)子集團(tuán)，比密排六方及面心立方的，比密排六方及面心立方的密排原子集團(tuán)低密排原子集團(tuán)低8%。Reichertp 液態(tài)液態(tài)Pb局域結(jié)構(gòu)的五重對(duì)稱(chēng)性局域結(jié)構(gòu)的五重對(duì)稱(chēng)性 及二十面體的存在及二十面體的存在p 推測(cè)二十面體存在于所有的單推測(cè)二十面體存在于所有的單 組元簡(jiǎn)單液體組元簡(jiǎn)單液體液體中

22、由液體中由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)個(gè)原子構(gòu)成的二十面體結(jié)構(gòu)及其分解的三個(gè)正交矩形平面正交矩形平面第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)對(duì)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)及研究新進(jìn)展對(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)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)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第一及第二峰的最近鄰和次近鄰 配位層以?xún)?nèi)的有序性為短程，配位層以?xún)?nèi)的有序性為短程， 范圍一般為范圍一般為0.

23、3-0.5nm 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)）熔體中程序的超結(jié)構(gòu)模型（我國(guó)）第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)隨溫度壓力有無(wú)變化隨溫度壓力有無(wú)變化如何變化如何變化第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性 1）液態(tài)金屬的）液態(tài)金屬的動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度和和運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度 粘度系數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)粘度，粘度系數(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)粘度， 牛頓公式牛頓公式： dydvx-外加切應(yīng)力xvdydvx-運(yùn)動(dòng)速度-速

24、度梯度-動(dòng)力粘度物理意義物理意義：作用于液體表面的應(yīng)力與垂：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)直該平面方向的速度梯度的比例系數(shù)p 牛頓流體牛頓流體p 非牛頓流體非牛頓流體第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素影響粘度的因素溫度溫度 金屬的動(dòng)力粘度與溫度的關(guān)系金屬的動(dòng)力粘度與溫度的關(guān)系Fe-C合金的動(dòng)力粘度合金的動(dòng)力粘度)exp(33TkUTktBBo-原子在平衡位置的震動(dòng)周期原子在平衡位置的震動(dòng)周期-波爾茨曼常數(shù)波爾茨曼常數(shù)-絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度-相鄰原子平衡位置間的平均距離相鄰原

25、子平衡位置間的平均距離-原子移動(dòng)的激活能原子移動(dòng)的激活能0TU Bk富林開(kāi)爾公式富林開(kāi)爾公式第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素影響粘度的因素化學(xué)成分化學(xué)成分 )21)(2211RTHXXmmH-兩組員混合熱兩組員混合熱Moelwyn-Hughes(M-H)模型模型 分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的粘度及各分別為純?nèi)軇┖腿苜|(zhì)的粘度及各自在溶液中的自在溶液中的mole分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)，R為氣體常數(shù)為氣體常數(shù)121X2X接近共晶成分的合金粘度具接近共晶成分的合金粘度具有最低值有最低值第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)

26、與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性影響粘度的因素影響粘度的因素雜質(zhì)的數(shù)量、形狀和分布雜質(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)金屬的粘度增加物使液態(tài)金屬的粘度增加第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性粘度對(duì)液態(tài)金屬臨界速度的影響粘度對(duì)液態(tài)金屬臨界速度的影響 層流與紊流層流與紊流 DvRe雷諾數(shù)雷諾數(shù)直徑直徑流動(dòng)速度流動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度eRDv層流層流 流動(dòng)阻力減少流動(dòng)阻力減少 有利于氣體和夾雜物上浮有利于氣體和夾雜物上浮第二章第二章

27、 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性 對(duì)液態(tài)金屬流量的影響對(duì)液態(tài)金屬流量的影響 PrF2drdvSF)(422rRlpvlpRvrdrVR8240液態(tài)金屬粘度對(duì)流速和鑄型的充型能力影響液態(tài)金屬粘度對(duì)流速和鑄型的充型能力影響第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性液態(tài)金屬的粘滯性粘度對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響粘度對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響 rvFZ6氣泡氣泡 非金屬夾雜物非金屬夾雜物 )(34)(3JLJLDrgVF)(922JLrvStokes公式公式 半徑小于半徑小于0

28、.1cm粘性液體對(duì)球體沉浮的阻力粘性液體對(duì)球體沉浮的阻力小球半徑小球半徑小球上浮速度小球上浮速度液體的動(dòng)力粘度液體的動(dòng)力粘度rvzF 粘度粘度 夾雜半徑夾雜半徑 液體與雜質(zhì)的密度差液體與雜質(zhì)的密度差第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的粘滯性對(duì)液態(tài)金屬對(duì)流的影響對(duì)液態(tài)金屬對(duì)流的影響格拉曉夫準(zhǔn)則格拉曉夫準(zhǔn)則溫度和濃度引起的體積膨脹系數(shù)溫度和濃度引起的體積膨脹系數(shù)溫差溫差濃度差濃度差水平方向上熱端到冷端距離的一半水平方向上熱端到冷端距離的一半223/TvIgGTT223/CvIgGCCTGCG溫度差產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度溫度差產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度濃度差

29、產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度濃度差產(chǎn)生的對(duì)流強(qiáng)度TCTCI第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象 液態(tài)金屬的表面張力液態(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。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：表面的定義：液體或固體同氣體或真空接觸液體或固體同氣體或真空接觸的面的面不同位置的分子或原子作用力模型不同位置的分子或原子作用力模型 表面的分子或原

30、子表面的分子或原子 內(nèi)部的分子或原子內(nèi)部的分子或原子第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象液態(tài)金屬的比表面現(xiàn)象 液態(tài)金屬的表面張力液態(tài)金屬的表面張力表面：液體或固體同表面：液體或固體同氣體或真空接觸氣體或真空接觸的面叫表面。的面叫表面。 表面上的分子或原子受力不均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。勻，產(chǎn)生指向金屬內(nèi)部的合力。 受拉伸的小塊表面薄膜受拉伸的小塊表面薄膜SlblFWSWESE單位表面積上的能量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表面張力和表面自由能是不同的物理概念 大小相同

31、，單位互換大小相同，單位互換 不同角度描述同一表面現(xiàn)象不同角度描述同一表面現(xiàn)象第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)表面張力引起的附加壓力表面張力引起的附加壓力 影響表面張力的因素影響表面張力的因素 溫度溫度 多數(shù)金屬及合金，溫度增加，表面張力降低多數(shù)金屬及合金，溫度增加，表面張力降低 反常現(xiàn)象，溫度升高，表面張力增加，反?，F(xiàn)象，溫度升高，表面張力增加，Cu, cast iron 球形氣泡球形氣泡rp2與曲率半徑成反比與曲率半徑成反比第二章 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)表面張力的影響溫度對(duì)表面張力的影響第二章第二章 液態(tài)金屬基本性

32、質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)溶質(zhì)元素的影響溶質(zhì)元素的影響p 使液態(tài)金屬使液態(tài)金屬表面張力降低表面張力降低 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)p 使液態(tài)金屬使液態(tài)金屬表面張力增加表面張力增加 非表面活性物質(zhì)非表面活性物質(zhì) 正吸附正吸附 溶質(zhì)在表面的濃度大于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度溶質(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)部的濃度溶質(zhì)在表面的濃度小于溶質(zhì)在內(nèi)部的濃度TdcdRTC)(-單位面積上的吸附量正吸附正吸附 表面活性元素表面活性元素 含量增加表面張力降低含量增加表面張力降低負(fù)吸附負(fù)吸附 非表面活性元素非表面活性元素 含量增加表面張力上升含量

33、增加表面張力上升Gibbs公式公式第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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)表面張力的影響合金元素對(duì)表面張力的影響第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué) S、O、Te、Se對(duì)鑄鐵表面張力的影響對(duì)鑄鐵表面張力的影響第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)p 液液固固-氣界面的界面現(xiàn)象氣界面的界面現(xiàn)象 1）內(nèi)聚功和附著功）內(nèi)

34、聚功和附著功 內(nèi)聚功內(nèi)聚功W內(nèi)內(nèi) 附著功附著功W附附 LGNW2LSSGLGFWLLL1cm2LGLGLSLSLGSG第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2）液）液-固界面上的界面現(xiàn)象固界面上的界面現(xiàn)象LSSG1）cosLGLSSGLGLSSGcosLSSG2）)180cos(LGSGLSLGLSSGcos各界面上諸力對(duì)于質(zhì)點(diǎn)各界面上諸力對(duì)于質(zhì)點(diǎn)A的作用簡(jiǎn)圖的作用簡(jiǎn)圖第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2）液）液-固界面上的界面現(xiàn)象固界面上的界面現(xiàn)象附加壓力的形成過(guò)程附加壓力的形成過(guò)程 Left

35、 固固-液潤(rùn)濕液潤(rùn)濕 Right 固固-液不潤(rùn)濕液不潤(rùn)濕rrFLSSGLGf2)(2cosghrFZ2 克服鑄型表面張力，必須附加壓力克服鑄型表面張力，必須附加壓力 液態(tài)金屬的表面張力越大，要求附加液態(tài)金屬的表面張力越大，要求附加 壓力越大壓力越大 對(duì)于一定的金屬材料和鑄型材料，管對(duì)于一定的金屬材料和鑄型材料，管 道半徑越小，附加壓力越大道半徑越小，附加壓力越大grhLGcos2第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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)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)的條件凝固的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的條件p 凝固凝固-傳熱的角度傳熱的

36、角度p 結(jié)晶結(jié)晶-物理化學(xué)角度（指晶態(tài)的凝固過(guò)程，非晶態(tài)也凝固）物理化學(xué)角度（指晶態(tài)的凝固過(guò)程，非晶態(tài)也凝固） 結(jié)晶的過(guò)程：結(jié)晶的過(guò)程：生核和生長(zhǎng)生核和生長(zhǎng) 對(duì)同一過(guò)程的不同角度的描述對(duì)同一過(guò)程的不同角度的描述 第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)l 自發(fā)生核自發(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(guò)程由游動(dòng)的原子集團(tuán)自己逐漸長(zhǎng)大形成晶核的過(guò)程 Homogeneous nucleation l 非自發(fā)生核非自發(fā)生核 在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的表面上生核的過(guò)程在外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的表面上生核的過(guò)程 Heterogeneous nucleation 生核過(guò)程生核過(guò)

37、程生核過(guò)程是液體中的游動(dòng)原子集團(tuán)逐漸長(zhǎng)大到生核過(guò)程是液體中的游動(dòng)原子集團(tuán)逐漸長(zhǎng)大到一定尺寸一定尺寸，形成固，形成固體質(zhì)點(diǎn)，使周?chē)酉蛏隙哑龅倪^(guò)程體質(zhì)點(diǎn)，使周?chē)酉蛏隙哑龅倪^(guò)程第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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)條件液態(tài)金屬（合金）結(jié)晶熱力學(xué)條件1.熱力學(xué)熱力學(xué) TTM FLFS 固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變 TFS 液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變 T=TM FL=FS 兩相處于平衡兩相處于平衡 兩種狀態(tài)的自由能差是兩種狀態(tài)的自由能差是 液態(tài)結(jié)晶的熱力學(xué)條件液態(tài)結(jié)晶的熱力學(xué)條件 自由能與溫度的關(guān)系自由能與溫

38、度的關(guān)系FsFL第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)STHF)()()()(LSLSLLSSLSVSSTHHTSHTSHFFFSTHFVMmmVTTLTTHF體系自由能體系自由能第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué) 自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系l 相變驅(qū)動(dòng)力的液相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能固體系自由能l 阻礙相變達(dá)的固阻礙相變達(dá)的固-液界面能液界面能形成一個(gè)晶核總的自由能變化形成一個(gè)晶核總的自由能變化 SVFFLSVFVFVLSS總自由能總自由能體系能體系能界面能界面

39、能晶核體積晶核體積晶核表面積晶核表面積334rV24 rS 體系自由能體系自由能界面能界面能總的自由能變化總的自由能變化 第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué) 自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系l 相變驅(qū)動(dòng)力的液相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能固體系自由能l 阻礙相變達(dá)的固阻礙相變達(dá)的固-液界面能液界面能LSrFrdrFd8420drFdVLSFr2*-臨界晶核半徑臨界晶核半徑*rMmmVTTLTTHF第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué) 自由能的變化與晶核半徑的關(guān)系自由能的變

40、化與晶核半徑的關(guān)系LSLSrTLTG2*22203*431)16(3120*2TLTrLSl 相變驅(qū)動(dòng)力的液相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體系自由能固體系自由能l 阻礙相變達(dá)的固阻礙相變達(dá)的固-液界面能液界面能臨界晶核半徑臨界晶核半徑 過(guò)冷度增加，臨界半徑減少過(guò)冷度增加，臨界半徑減少 較小的原子集團(tuán)也能成為晶核較小的原子集團(tuán)也能成為晶核 晶核數(shù)量增加晶核數(shù)量增加生核功生核功 晶核不穩(wěn)定，逐漸消失晶核不穩(wěn)定，逐漸消失 成為穩(wěn)定晶核成為穩(wěn)定晶核rr *rr *第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué))exp(*kTFFKIAv-液態(tài)金屬中原子擴(kuò)散激

41、活能-生核功-Boltzmann常數(shù)-系數(shù)AF*Fkvk 生核功隨過(guò)冷度增大而減小生核功隨過(guò)冷度增大而減小 過(guò)冷度增大，生核速率增大過(guò)冷度增大，生核速率增大 過(guò)冷度增大時(shí)原子熱運(yùn)動(dòng)減過(guò)冷度增大時(shí)原子熱運(yùn)動(dòng)減 弱，生核速度相應(yīng)減少弱，生核速度相應(yīng)減少 kTFe/*kTFe/原子集團(tuán)的平均半徑原子集團(tuán)的平均半徑最大原子集團(tuán)半徑最大原子集團(tuán)半徑臨界晶核尺寸臨界晶核尺寸形核率形核率單位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目單位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)2.動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)形核率形核率單位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目單

42、位體積內(nèi)、單位時(shí)間內(nèi)形成晶核的數(shù)目過(guò)冷度的影響過(guò)冷度的影響 過(guò)冷度很小時(shí)過(guò)冷度很小時(shí) 過(guò)冷度增加過(guò)冷度增加 臨界過(guò)冷度，形核率迅速上升臨界過(guò)冷度，形核率迅速上升 過(guò)冷度與熔點(diǎn)的關(guān)系過(guò)冷度與熔點(diǎn)的關(guān)系 過(guò)冷很大時(shí)過(guò)冷很大時(shí) 粘度粘度 原子活動(dòng)能原子活動(dòng)能金屬金屬I(mǎi)粘性物質(zhì)粘性物質(zhì)TT*0.2Tm第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)勻質(zhì)形核理論的局限性勻質(zhì)形核理論的局限性 純金屬過(guò)冷純金屬過(guò)冷 實(shí)際液態(tài)金屬凝固時(shí)的過(guò)冷度實(shí)際液態(tài)金屬凝固時(shí)的過(guò)冷度 多種夾雜物多種夾雜物 含有同質(zhì)的原子集團(tuán)含有同質(zhì)的原子集團(tuán)0.58 0.15 第二章第二章 液態(tài)金屬基

43、本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)非自發(fā)生核非自發(fā)生核 1、熱力學(xué)、熱力學(xué)液相與固相之間的界面張力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)間的界面張力固相與質(zhì)點(diǎn)間的界面張力LCLSCScosLCCSLS第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶核與夾雜物的接觸面積晶核與夾雜物的接觸面積晶核與液體體的接觸面積晶核與液體體的接觸面積球冠體積球冠體積CSSLSSV第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液

44、態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué))(4)cos1)(cos2(316*222203fGTLTLC第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固

45、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝

46、固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)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p 固體質(zhì)點(diǎn)的原子與新相的原子間

47、具有較大的結(jié)合力或鍵能較強(qiáng)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)p 質(zhì)點(diǎn)表面的原子排列規(guī)律和間距與新相相近質(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)原則相位尺寸對(duì)應(yīng)原則 界面共格對(duì)應(yīng)原則界面共格對(duì)應(yīng)原則 第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)b) a)完全共格完全共格 b)部分共格部分共格第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)

48、、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)抑制形核抑制形核第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)選擇形核選擇形核第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng) 生核生核 液體中原子向晶體表面堆砌液體中原子向晶體表面堆砌第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)的原子過(guò)程晶體生

49、長(zhǎng)的原子過(guò)程固液界面上原子的雙向運(yùn)動(dòng)固液界面上原子的雙向運(yùn)動(dòng)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)SdtdnMdtdnSdtdnMdtdnSdtdnMdtdnSdtdnMdtdn=p 界面不斷生長(zhǎng)，界面上的溫度必須低于熔點(diǎn)界面不斷生長(zhǎng)，界面上的溫度必須低于熔點(diǎn)p 此過(guò)冷稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)過(guò)冷，此過(guò)冷稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)過(guò)冷， p 動(dòng)力學(xué)過(guò)冷的作用動(dòng)力學(xué)過(guò)冷的作用KT液相向固相跳躍和定居的速度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固相向液相跳躍和定居的速度平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)熔化狀態(tài)熔化狀態(tài)凝固狀態(tài)凝固狀態(tài)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性

50、質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)晶體的生長(zhǎng)速度晶體的生長(zhǎng)速度 生長(zhǎng)必須導(dǎo)出多余的熱量生長(zhǎng)必須導(dǎo)出多余的熱量 液體內(nèi)部熱量液體內(nèi)部熱量 凝固時(shí)析出的潛熱凝固時(shí)析出的潛熱 保持過(guò)冷度保持過(guò)冷度界面生長(zhǎng)速度界面生長(zhǎng)速度l 液體內(nèi)部向界面?zhèn)鬟f的熱量液體內(nèi)部向界面?zhèn)鬟f的熱量l 單位時(shí)間向界面上析出的結(jié)晶潛熱單位時(shí)間向界面上析出的結(jié)晶潛熱l 通過(guò)界面向外部散出的熱量通過(guò)界面向外部散出的熱量晶體生長(zhǎng)速度的晶體生長(zhǎng)速度的影響因素影響因素晶體生長(zhǎng)速晶體生長(zhǎng)速度控制度控制第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)固固-液界面的結(jié)構(gòu)液界面的結(jié)構(gòu) 粗糙界面粗糙界面 平整

51、界面平整界面粗糙界面粗糙界面固固-液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置原子層液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置原子層50%充滿，形成坑坑洼洼、凹凸不平的充滿，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)液液-固向之間的過(guò)度區(qū)固向之間的過(guò)度區(qū)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)固固-液界面的結(jié)構(gòu)液界面的結(jié)構(gòu) 粗糙界面粗糙界面 平整界面平整界面平整界面平整界面固固-液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置幾乎全部為固液界面固相一側(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)階相原子所占滿，只留下少數(shù)空位或臺(tái)階第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

52、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué))()(00vRSvkTLm原子熔化熱原子熔化熱熔化溫度熔化溫度Boltzman常數(shù)常數(shù)氣體常數(shù)氣體常數(shù)晶體中原子的可能臨近原子數(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)表面層中原子的實(shí)際臨近原子數(shù)熔化熵熔化熵0L0TkRvmS第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)

53、界面自由能變化與界面上原子界面自由能變化與界面上原子所占位置分?jǐn)?shù)的關(guān)系所占位置分?jǐn)?shù)的關(guān)系第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)第二章第二章 液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固液態(tài)金屬基本性質(zhì)與凝固熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)界面的穩(wěn)定性界面的穩(wěn)定性 p 界面前沿存在正溫度梯度時(shí)界面前沿存在正溫度梯度時(shí) 界面保持平面界面保持平面 溫度降低形成動(dòng)力過(guò)冷時(shí)溫度降低形成動(dòng)力過(guò)冷時(shí)p 界面前沿存在負(fù)溫度梯度時(shí)界面前沿存在負(fù)溫度梯度時(shí) 界面前沿的液體不穩(wěn)定界面前沿的液體不穩(wěn)定 向液體中生長(zhǎng)，形成分