液态金属加工.pptx

1、2022/11/91哈尔滨工程大学材化学院2022/11/92哈尔滨工程大学材化学院主要内容：2022/11/93哈尔滨工程大学材化学院2022/11/94哈尔滨工程大学材化学院如何研究液态金属的结构 1 间接法 通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。体积和熵值的变化 熔化潜热和汽化潜热 2 直接法 X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。R1-R4原子间距增大；内蒸发；原子在晶体中游动，产生空穴。2.1.1 固态金属加热变为液态金属时的变化1 膨胀2022/11/96哈尔滨工程大学材化学院7 实践证明，金属熔化从晶界开始。此时金属从规则的原子排列突变为紊乱的 非晶质的过程，该

2、过程中吸收的热量除了使体积膨胀做功外，还增加了系统的内 能。金属熔化时典型的体积变化为3-5%左右，即原子平均间距只增大1-1.5%，表明液体原子间距接近于固体。这说明，原子结合键只被破坏了很小的百分数。这也可从熔化潜热看出：此时熔化潜热只占气化潜热的3-7%。此时变化较大的是熵变。熔化熵比固态时的熵值有较多的增加，表明液态原子热运动的混乱程度与固态比有所增大。总之：液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内,与固态的排列方式基本一致，均不能自由运动，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，围绕着平衡节点位置进行振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。另外，液态金属

3、宏观上呈正电性，具有良好的导电、导热和流动性。2 熔化342.1.2 液态金属的结构a 2 a 2 a aa 2 a 2 a 2022/11/913哈尔滨工程大学材化学院2022/11/914哈尔滨工程大学材化学院1）原子间仍保持较强的结合能，平均原子间距增加不大；）原子间仍保持较强的结合能，平均原子间距增加不大；5）182 液体状态方程2022/11/925哈尔滨工程大学材化学院2.1.3 液态金属的性质2022/11/926哈尔滨工程大学材化学院12022/11/927哈尔滨工程大学材化学院2022/11/936哈尔滨工程大学材化学院2022/11/937哈尔滨工程大学材化学院2022/1

4、1/938哈尔滨工程大学材化学院2022/11/939哈尔滨工程大学材化学院2022/11/940哈尔滨工程大学材化学院2022/11/941哈尔滨工程大学材化学院2022/11/944哈尔滨工程大学材化学院2022/11/945哈尔滨工程大学材化学院2022/11/946哈尔滨工程大学材化学院2表面原子缺失使原子间距离拉大，而产生拉力。拉力使原子靠近，从而使表面缩小成为球形。同时拉力也保存下来。表面张力是如何产生的？由于液面处于紧张状态，在液面上存在由于液面处于紧张状态，在液面上存在着起收缩作用的表面张力。这些着起收缩作用的表面张力。这些表面张力的表面张力的方向方向都与液面相切，并且与线段都

5、与液面相切，并且与线段ABAB 垂直；垂直；它们大小相等，方向相反，分别作用在两部它们大小相等，方向相反，分别作用在两部分液面上。分液面上。实验表明实验表明:表面张力的大小表面张力的大小正比于正比于线段线段ABAB的长度。的长度。表面张力系数：表面张力系数：f ff fAB表面张力方向它们为什么沉不下去？2022/11/950哈尔滨工程大学材化学院2022/11/951哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9补充补充：弯曲液面的附加压力的产生：弯曲液面的附加压力的产生Q点2022/11/953哈尔滨工程大学材化学院2022/11/954哈尔滨工程大学材化学院32022/11/955哈尔滨工程大

6、学材化学院42022/11/956哈尔滨工程大学材化学院2022/11/957哈尔滨工程大学材化学院2.2.1 液态金属结晶热力学条件表面相结晶阻力：结晶驱动力：固液自由能之差热力学能障动力学能障2022/11/958哈尔滨工程大学材化学院结晶驱动力：在熔点Tm处,二者自由能相等:2022/11/959哈尔滨工程大学材化学院GV=HV T SV=HV THV/Tm=HV(Tm T)/Tm2022/11/960哈尔滨工程大学材化学院 O=T 0 0 =T 0 过冷：金属的实际开始凝固温度T总是低于理论凝固温度Tm 的现象.过冷度（T）：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即 Tm-T。2022/

7、11/961哈尔滨工程大学材化学院结晶的阻力：2022/11/962哈尔滨工程大学材化学院2.2.2 均匀形核及其形核率均匀形核是指在液体每处形核的概率都是一样的。临界晶核半径:63 rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。r=r*时，可能长大，也可能熔化，两种趋势都是使自由能降低的过程，将r*的晶胚称为临界晶核，只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。临界晶核半径随过冷度增大而减小。讨论：64表明，当r=r*时，临界晶核形成时的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是过冷液体金属开始形核时的主要障碍。形核功来自何

8、方？在没有外部供给能量的条件下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给。临界晶核形成功(简称形核功):【补充】液态金属凝固，外层原子比内部原子所受束缚少些，因此具有较高的能量，故将之归为另一相表面相（两条虚线中间者）。而内部原子基本为固态晶体排列。表面相由于能量高因而成为凝固的阻力，故尽量薄一些，以降低表面能。表面相r太小，则比表面积很大，表面能（结晶阻力）很大，占优势，故不能长大；只有rr*,体相较大，比表面能有所下降，此时才能继续长大。均质形核率形核率：单位时间、单位体积形成的晶核数目。取决于形成临界晶核的能 量起伏几率和液态原子穿越固液界面到临界晶核上的几率组合。前者取决于：后者取决于：最

9、终形核率为：67形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步增大而减小。68 金属材料形核率与温度的关系如图所示。形核率突然增大的温度称为有效形核温度，此时对应的过冷变称临界过冷度约等于0.2Tm。2022/11/969哈尔滨工程大学材化学院2.2.3 非均匀形核及其形核率假如晶核形状是截自半径为R圆球的球冠，截面半径为R，晶核形成时体系总的自由能变化为:7172 由几何学知道：晶核与基底的接触角 将Young方程代入：球冠体积：73按均匀形核方法可求出非均匀形核的临界半径和形核功:不均匀形核时，临界球冠的曲率半径与均匀形核时球形晶核的半径是相等的。总自由能变化为：2022/

10、11/974哈尔滨工程大学材化学院讨论：2022/11/976哈尔滨工程大学材化学院2022/11/977哈尔滨工程大学材化学院2022/11/978哈尔滨工程大学材化学院衬底接触角表面形状晶格匹配程度2022/11/979哈尔滨工程大学材化学院影响形核率的因素：2022/11/980哈尔滨工程大学材化学院acas2022/11/982哈尔滨工程大学材化学院2022/11/983哈尔滨工程大学材化学院2022/11/984哈尔滨工程大学材化学院错配度：2022/11/985哈尔滨工程大学材化学院2022/11/986哈尔滨工程大学材化学院2022/11/987哈尔滨工程大学材化学院2022/1

11、1/988哈尔滨工程大学材化学院多种衬底共存：2022/11/989哈尔滨工程大学材化学院2022/11/990哈尔滨工程大学材化学院举例：一些与欲细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属微小颗粒，比如：高 锰钢中加入锰铁、高铬钢中加入铬铁。它们在液态金属中直接作为衬底形核。形核剂与液相中某些元素（最好是欲细化相原子）反应生成较稳定的的化合物而 形核。例如：钢中的钛、钒形成碳化物和氮化物促进非均匀形核达到细化的目的。2022/11/991哈尔滨工程大学材化学院2022/11/992哈尔滨工程大学材化学院采用熔融玻璃包裹合金熔液，使其不与大气接触，并能净化合金，防止非均有形核的一种获得合金熔

12、液深过冷的方法。2022/11/997哈尔滨工程大学材化学院98金属的凝固过程-形核，长大t1 形核t3 长大形成晶粒t2 形核并长大，有新的晶核形成t4 液体消失，结晶结束2022/11/9100哈尔滨工程大学材化学院2.2.4 液体金属的生长1 宏观角度下生长的界面形态1）熔化温度液相温度分布固相温度分布界面产生突起后的液、固温度分布当界面出现小突起时，液相温度曲线斜率变大，这样传出的热量增加；与此同时，固相温度曲线斜率变小，传出的热量减少，这样界面处就有多余的热量，这些多余的热量又把小突起熔化。由于固、液相均存在温度梯度，因此液相深处的热量传入向界面，到达界面后，又从界面传到固相中去。当

13、凝固平衡时，传入界面的热量等于传出界面的热量。2022/11/9102哈尔滨工程大学材化学院2）2022/11/9106哈尔滨工程大学材化学院2 晶体界面生长动力学2022/11/9108哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9109哈尔滨工程大学材化学院表面相NsNL2022/11/9111哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9112哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9113哈尔滨工程大学材化学院0 1 AFGv2022/11/9114哈尔滨工程大学材化学院3 界面生长形态2022/11/9115哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9116哈尔滨工程大学材化学院沉积位置数N沉积位置全

14、部占据NA个沉积位置被占据表面原子配位数与体相不同x=NA/N表面原子，在同层内的配位数。表面原子同下层原子的配位数为A当表层铺满时，此时结合能为：体相原子配位数为当表层没有占满时表面原子，同层内的配位数变为：x=（NA/N）表面原子同下层原子的配位数为A因此、总配位数为（x+A），即可理解为被（x+A）个原子束缚着，因此表层内每个原子结合能为：体相原子配位数为未铺满2022/11/9120哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9122哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9123哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9124哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9125哈尔滨工程大学材化学院

15、2022/11/9127哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9128哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9130哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9131哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9132哈尔滨工程大学材化学院光滑界面生长形态2022/11/9135哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9136哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9137哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9138哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9139哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9141哈尔滨工程大学材化学院粗糙界面长大速度2022/11/9142哈尔滨工程大学材化学院2022/11/

16、9143哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9144哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9145哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9146哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9147哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9148哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9149哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9151哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9152哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9153哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9154哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9155哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9157哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9158哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9159哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9160哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9161哈尔滨工程大学材化学院2022/11/9162哈尔滨工程大学材化学院