文档介绍：第二章液态结构与固液相变
§ 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。
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固态金属
按原子聚集形态分为晶体与非晶体。
晶体
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。
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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
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。
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1. 物理性质变化
体积只膨胀3~7%, 即原子间距平均只增大1~%
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!
金属
Sn
Zn
Mg
Al
Ag
Cu
Fe
Ti
(VL-VS)/ VS
几种常用金属熔化时的体积变化
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熔化潜热只占气化潜热的3~7 % 见表1
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。
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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。
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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)
2、X射线衍射进行结构分析
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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;
配位数:
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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。
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。
纵坐标表示当半径增减一