液态金属的结构和性质幻灯片.ppt

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1、液态金属的结构和性质第1页，共59页，编辑于2022年，星期一一、前言l l一、铸造的概念和特点一、铸造的概念和特点 铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。将铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。将铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。将铸造是一种用液态金属生产制品的工艺方法。将金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或金属熔化，成为具有良好流动性的液态，在重力场或其它力其它力其它力其它力(压力、离心力、电磁力等压力、离心力、电磁力等压力、离心力、电磁力等压力、离心力、电磁力等)作用下充满铸型

2、，作用下充满铸型，作用下充满铸型，作用下充满铸型，经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的经凝固和冷却成为具有铸型型腔形状的制品，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需经机械金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需经机械金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需经机械金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需经机械加工才能成为各种机器零件。但是，随着少余量和无余加工才能成为各种机器零件。但是，随着少余量和无余加工才能成为各种机器零件。但是，随着少余量和无余加工才能成为各种机器零

3、件。但是，随着少余量和无余量铸造方法的发展，有许多铸件无需机械加工即可满足量铸造方法的发展，有许多铸件无需机械加工即可满足量铸造方法的发展，有许多铸件无需机械加工即可满足量铸造方法的发展，有许多铸件无需机械加工即可满足使用精度和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精使用精度和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精使用精度和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精使用精度和粗极度的要求而直接应用。如失蜡铸造（精密铸造）、消失模铸造、压力铸造等密铸造）、消失模铸造、压力铸造等密铸造）、消失模铸造、压力铸造等密铸造）、消失模铸造、压力铸造等第2页，共59页，编辑于2022年，星期一配料（固态金属原料）

4、熔炼液态金属浇入铸型冷却脱模、清理合格的毛坯或铸件（固态金属）冲天炉感应电炉电弧炉满足成分、温度等砂型金属型消失模模壳零件材质零件图铸件图铸造工艺设计制模、制芯铸型准备铸造过程流程示意图第3页，共59页，编辑于2022年，星期一一、铸造的概念和特点l铸造的特点1 适应性强 能铸造小至几克，大至数百吨；壁厚从0.2mm至1m；长度从几毫米至十几米；形状从简单至任意复杂的铸件。也就是说，铸造不受尺寸大小、形状复杂程度的限制。就金属种类而言它适用于各种合金，如常用的铁碳合金(铸铁、铸钢)、铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金以及各种难熔合金等2 可以利用某些合金的特性 对于脆性金属或合金，铸造是唯

5、一可行的加工方法。因此，可以利用某些合金的特性，如铸铁的切削性、振动吸收性、耐热性、耐磨性；高锰钢的耐磨性等，生产铸件满足使用要求。第4页，共59页，编辑于2022年，星期一一、铸造的概念和特点3 3 尺寸精度高尺寸精度高 一般情况下，铸件比锻件、焊接件的尺寸精确，更接近一般情况下，铸件比锻件、焊接件的尺寸精确，更接近于零件的尺寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。于零件的尺寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。4 成本低 铸件在一般机器中占4080的重量，而成本只占机器总成本的2530。成本低的原因是：1)容易实现机械化生产；2)可大量使用废旧金属料；3)与锻造相比动力消耗少；4)尺寸精

6、度高，加工余量小，节约加工工时。5、缺点（1）铸件尺寸均一性差；（2）与压力加工和粉末冶金相比金属的利用率低；（3）内在质量比锻件差；（4）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等第5页，共59页，编辑于2022年，星期一2、我国铸造技术的发展l我国铸造技术已有5000年的悠久历史l铸造技术的成就推动了农业、兵器制造、天文、医药、音乐、艺术等方面的进步l人类进化的过程分三个阶段：石器时代（经历300万年）、青铜器时代、铁器时代l5000年的铸造技术史大致可分两个大的发展阶段：前2000余年以青铜铸造为主，发展冶铸技术；后2000余年以铸铁为主，推动了铸造技术的发展第6页，共59页，编辑

7、于2022年，星期一曾侯乙编钟（战国时期，距今曾侯乙编钟（战国时期，距今2400余年），钟架长余年），钟架长7.48米，米，宽宽3.35米，高米，高2.73米，米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆。右图为出土藏湖北省博物馆。右图为出土现场现场。第7页，共59页，编辑于2022年，星期一巧夺天工的曾侯乙尊盘。巧夺天工的曾侯乙尊盘。是一件外形是一件外形美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，各不相连，堪

8、称稀世珍品。各不相连，堪称稀世珍品。战国时代的战国时代的“冰箱冰箱”曾侯乙冰鉴曾侯乙冰鉴第8页，共59页，编辑于2022年，星期一 明永乐大钟，铸于永乐明永乐大钟，铸于永乐18年前后（公元年前后（公元14181422年），中国现存最大的青铜年），中国现存最大的青铜钟。钟。铜钟通高铜钟通高6.75米，钟壁米，钟壁厚度不等，最厚处厚度不等，最厚处185毫米，毫米，最薄处最薄处94毫米，重约毫米，重约46吨。吨。钟体内外遍铸经文，共钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜万字。铜钟合金成分为：铜80.54、锡、锡16.40、铝、铝1.12，为泥范铸造。，为泥范铸造。现存北京大钟寺现存北京

9、大钟寺。第9页，共59页，编辑于2022年，星期一中国五代后周大型铸件。中国五代后周大型铸件。中国五代后周大型铸件。中国五代后周大型铸件。在今河北省沧州市东南在今河北省沧州市东南在今河北省沧州市东南在今河北省沧州市东南2020千米的沧州故城开元寺前。千米的沧州故城开元寺前。千米的沧州故城开元寺前。千米的沧州故城开元寺前。五代后周广顺三年五代后周广顺三年五代后周广顺三年五代后周广顺三年（953953）铸，狮身左肋铸）铸，狮身左肋铸）铸，狮身左肋铸）铸，狮身左肋铸有有有有“山东李云造山东李云造山东李云造山东李云造”五字。五字。五字。五字。铁狮身长铁狮身长铁狮身长铁狮身长5.35.3米，高米，高米，

10、高米，高5.45.4米，米，米，米，宽宽宽宽3 3米，重约米，重约米，重约米，重约4040吨，采用吨，采用吨，采用吨，采用泥范明注式整体铸成。泥范明注式整体铸成。泥范明注式整体铸成。泥范明注式整体铸成。狮身铸有狮身铸有“狮子王狮子王”字样，背驮莲座，前胸及臀部饰字样，背驮莲座，前胸及臀部饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。第10页，共59页，编辑于2022年，星期一沧州铁狮的历史照片第11页，共59页，编辑于2022年，星期一湖北当阳铁塔，铸造于北湖北当阳铁塔，铸造于北宋嘉佑六年（公元宋嘉佑六年（公元10611061年）年），八面十三层，八面十

11、三层 ，高，高16.94516.945米米,据铭文记载的据铭文记载的铁塔重七万六千六百斤铁塔重七万六千六百斤,当时是就地设炉分层铸造当时是就地设炉分层铸造,采用堆土法而建起来采用堆土法而建起来,各各层之间重叠摆放层之间重叠摆放,没有焊没有焊接接,整个塔身玲珑隽秀整个塔身玲珑隽秀,从上到下从上到下,自里而外全生自里而外全生铁浇铸铁浇铸,仅塔刹在仅塔刹在 清代以清代以青铜重铸青铜重铸.第12页，共59页，编辑于2022年，星期一江苏吉鑫风能科技有限公司的展品是目前最大发电功率的3MW轮毂铸件，该产品采用无冒口铸造工艺，可耐-40低温，工艺水平和产品质量均达到了世界领先水平。第13页，共59页，编辑

12、于2022年，星期一三峡700MW水轮机组配套的大型水轮机叶片在力学性能、表面质量等方面均达世界一流水平 第14页，共59页，编辑于2022年，星期一3 3、铸造在金属加工领域中的地位、铸造在金属加工领域中的地位 铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着相当重要机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着相当重要机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着相当重要机械制造工业的重要基础，在国民经济中占着相当重要的位置。在许多机械

13、中，铸件重量占整机重量的比例很的位置。在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很的位置。在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很的位置。在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很高，内燃机高，内燃机高，内燃机高，内燃机80%80%80%80%，拖拉机，拖拉机65%-80%65%-80%65%-80%65%-80%，液压件、泵类机械，液压件、泵类机械，液压件、泵类机械，液压件、泵类机械50%-60%50%-60%50%-60%50%-60%。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车

14、工业，其心脏部分其心脏部分其心脏部分其心脏部分发动机的关键零件，如缸体、缸盖、发动机的关键零件，如缸体、缸盖、发动机的关键零件，如缸体、缸盖、发动机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和

15、人民生优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。高韧性球墨铸铁管。高韧性球墨铸铁管。高韧性球墨铸铁管。第15页，共59页，编辑于2022年，星期一中国和美国中国和美国中国和美国中国和美国199619962001年铸件产量（万吨年铸件产量（万吨）主要发达国家主要发达国家19962001年铸

16、件产量（万吨）年铸件产量（万吨）2008年世界铸件总产量为年世界铸件总产量为9345万吨，中国为万吨，中国为1700万吨。万吨。其中主要铸件生产国美国、日本、印度均下降。其中主要铸件生产国美国、日本、印度均下降。第16页，共59页，编辑于2022年，星期一4、发展趋势（1 1）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品）铸造合金结构进一步优化，增加高附加值产品 球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁和蠕墨铸铁在机械产品中广泛应用，球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁和蠕墨铸铁在机械产品中广泛应用，不断提高高性能铝合金铸件、镁合金铸件、

17、镍合金铸件，钛合金不断提高高性能铝合金铸件、镁合金铸件、镍合金铸件，钛合金铸件的用量（铸件的用量（20092009年，我国有色金属铸件总产量达到年，我国有色金属铸件总产量达到335335万万t t，占，占当年铸件总产量的当年铸件总产量的9.5%9.5%）。（2 2）铸造装备升级）铸造装备升级 大容量、专业化、高精度、节能、环保、低噪音方向发展大容量、专业化、高精度、节能、环保、低噪音方向发展（3）企业上规模、上档次、重环保，演绎可持续发展 第17页，共59页，编辑于2022年，星期一中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡中国铸造模具之乡浙江象山浙江象山浙江象山浙江象山 模具是象山县的

18、传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业模具是象山县的传统优势行业，全县有模具生产企业271271271271家，从业人员家，从业人员家，从业人员家，从业人员8000800080008000余人。经过余人。经过余人。经过余人。经过30303030年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具的生产基地。年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具的生产基地。年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具的生产基地。年的艰苦创业，已经成为名副其实的铸造模具的生产基地。据统计，象山的铸造模具已经占据了全国据统计，象山的铸造模具已经

19、占据了全国据统计，象山的铸造模具已经占据了全国据统计，象山的铸造模具已经占据了全国60%60%60%60%以上的市场份额，年总产值以上的市场份额，年总产值以上的市场份额，年总产值以上的市场份额，年总产值超过超过超过超过11.511.511.511.5亿元，利税亿元，利税亿元，利税亿元，利税2.42.42.42.4亿元。亿元。亿元。亿元。中国压铸产业基地中国压铸产业基地中国压铸产业基地中国压铸产业基地浙江宁海县浙江宁海县浙江宁海县浙江宁海县 宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有宁海县有压铸生产企业有300300300300多家，呈现以下四大特点：一是产业配套一条龙；

20、二多家，呈现以下四大特点：一是产业配套一条龙；二多家，呈现以下四大特点：一是产业配套一条龙；二多家，呈现以下四大特点：一是产业配套一条龙；二是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；宁海致力将自身打是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；宁海致力将自身打是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；宁海致力将自身打是机械修理有特色；三是检测设备上档次；四是企业管理上台阶；宁海致力将自身打造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三造成为一流的中国

21、压铸产业基地，计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三造成为一流的中国压铸产业基地，计划建设检测中心、物流中心、技术研发中心等三大中心，形成新的现代化压铸产业园，到大中心，形成新的现代化压铸产业园，到大中心，形成新的现代化压铸产业园，到大中心，形成新的现代化压铸产业园，到2015201520152015年，力争压铸行业总产值达到年，力争压铸行业总产值达到年，力争压铸行业总产值达到年，力争压铸行业总产值达到150150150150亿元。亿元。亿元。亿元。中国铸造之乡中国铸造之乡中国铸造之乡中国铸造之乡章丘章丘章丘章丘 章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业章丘共有铸造企业12612

22、6126126家，资产总额已超过家，资产总额已超过家，资产总额已超过家，资产总额已超过50505050亿元，年生产能力亿元，年生产能力亿元，年生产能力亿元，年生产能力90909090万万万万t t t t，主要，主要，主要，主要生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机壳、罗茨鼓风机壳、铁路配生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机壳、罗茨鼓风机壳、铁路配生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机壳、罗茨鼓风机壳、铁路配生产重型汽车发动机和底盘、汽车排气管、摩托车发动机壳、罗茨鼓风机壳、铁路配件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡发动机铸件产量占全国总产量的件、炊具、铸

23、造材料等产品。其中，重卡发动机铸件产量占全国总产量的件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡发动机铸件产量占全国总产量的件、炊具、铸造材料等产品。其中，重卡发动机铸件产量占全国总产量的30%30%30%30%，重卡，重卡，重卡，重卡排气管铸件产量占全国的排气管铸件产量占全国的排气管铸件产量占全国的排气管铸件产量占全国的40%40%40%40%。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的。经过近几年的优化提升，已发展成为全省重要的铸造基地。铸造基地。铸造基地。铸造基地。耐磨铸件生产、研发和出口基地耐磨铸件生产、研

24、发和出口基地耐磨铸件生产、研发和出口基地耐磨铸件生产、研发和出口基地 安徽宁国安徽宁国安徽宁国安徽宁国 宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到宁国耐磨铸件年生产能力达到80808080万万万万t t t t，从业人员近万人，从业人员近万人，从业人员近万人，从业人员近万人，2009200920092009年全市耐磨年全市耐磨年全市耐磨年全市耐磨铸件产值达到铸件产值达到铸件产值达到铸件产值达到41414141亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近亿元，耐磨铸件产量占全国份额近21%21%21%21%。第18

25、页，共59页，编辑于2022年，星期一第一章 液态金属的结构和性质东北大学秦皇岛分校东北大学秦皇岛分校材料科学与工程系材料科学与工程系材料成形原理材料成形原理 林晓娉林晓娉 教授教授第19页，共59页，编辑于2022年，星期一本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：l l 1 1、液态金属的结构、液态金属的结构l l 2 2、液态金属的性质、液态金属的性质l l 3 3、液态金属的流动性与充型能力、液态金属的流动性与充型能力 人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论模型给予人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论模型给予人类对液态的认识比

26、固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论模型给予人类对液态的认识比固态和气态要肤浅得多，目前仍没有成熟的理论模型给予液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多瞩目的阶段性成液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多瞩目的阶段性成液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多瞩目的阶段性成液体结构满意的描述但人类对液体的研究从未间断，取得了许多瞩目的阶段性成就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的突破。就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的突破。就，特别是近二十多年来对液体结构的研究有了许多新的突破。就，特别是近二十多年来对液体结构的

27、研究有了许多新的突破。第一章第一章第一章第一章 液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质第20页，共59页，编辑于2022年，星期一1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.2 1.1.2 金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀 物质是由原子构成的，原子之间存在着相互作用力，即库仑引力和库仑斥力，如图1-1所示。当原子间的距离为R0时，原子受到的引力与斥力相等，处于平衡状态，而向左和向右运动都会受到一个指向平衡位置的力的作用。于是原子在平衡位置附近做简谐振动，维

28、持晶体的固定结构。图1-1 原子间的作用力 第21页，共59页，编辑于2022年，星期一1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化l l1.1.2 1.1.2 金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀金属的加热膨胀 当温度升高时，原子振动能量增加，振动频率和振幅增大。以双原子模型为例，假设左边的原子被固定不动而右边的原子是自由的。则随着温度的升高，原子间距将由R0R1R2R3R4；原子的能量也不断升高，由W0W1W2W3W4。原子间距随温度升高而增加，即产生膨胀，如图1-2所示。膨胀只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。图图1-2 加热时原子间距和加热时原子间距和 原

29、子势垒的变化原子势垒的变化第22页，共59页，编辑于2022年，星期一1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.3 1.1.3 金属的熔化金属的熔化金属的熔化金属的熔化l l若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，在晶界处的原子若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，在晶界处的原子若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，在晶界处的原子若对晶体进一步加热，达到激活能值的原子数量进一步增加。首先，在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某一数量值时，以致一些原子能脱跨越势垒而处于激活状态；当这些原

30、子的数量达到某一数量值时，以致一些原子能脱跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某一数量值时，以致一些原子能脱跨越势垒而处于激活状态；当这些原子的数量达到某一数量值时，以致一些原子能脱离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可离晶粒的表面，向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定的形状与尺寸。晶粒间可出现相对流动，称为晶界流动。此时，金属处于熔化状态。出现相对流动，称为晶界流动。此时，金属处于熔化状态。出现相对流

31、动，称为晶界流动。此时，金属处于熔化状态。出现相对流动，称为晶界流动。此时，金属处于熔化状态。l l金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁。晶金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁。晶金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁。晶金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁。晶粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、时而分散的原子集团、粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、时而分散的原子集团、粒进一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、时而分散的原子集团、粒进

32、一步瓦解成小的原子集团和游离原子，形成时而集中、时而分散的原子集团、游离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。金属由固态变成液态，体积膨游离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。金属由固态变成液态，体积膨游离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。金属由固态变成液态，体积膨游离原子和空穴。此时，金属从固态转变为液态。金属由固态变成液态，体积膨胀约胀约胀约胀约3%53%5。l l而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变成液态而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变成液态而且，金属的其它性质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变成液态而且，金属的其它性

33、质，如电阻、粘性也会发生突变。金属由固态变成液态过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。金属在过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。金属在过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。金属在过程中，在完全熔化前温度维持不变，这时的温度称为金属的熔点。金属在熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。熔点温度的固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热。实验证明，金属的熔化是从

34、晶界开始的。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。实验证明，金属的熔化是从晶界开始的。第23页，共59页，编辑于2022年，星期一1.1固态金属的加热、膨胀及熔化固态金属的加热、膨胀及熔化1.1.3 1.1.3 金属的熔化金属的熔化金属的熔化金属的熔化l l固态金属的加热熔化完全符合热力学条件。外界提供的热能，除固态金属的加热熔化完全符合热力学条件。外界提供的热能，除因原子间距增大、体积膨胀而做功外，还增加体系的内能。在恒因原子间距增大、体积膨胀而做功外，还增加体系的内能。在恒压下存在如下关系式压下存在如下关系式 EqEq=d(U-PV)=dU-pdv=dH

35、(1-1)=d(U-PV)=dU-pdv=dH (1-1)式中，式中，EqEq为外界提供的热能；为外界提供的热能；U U为内能；为内能；p pd dV V为膨胀功；为膨胀功；d dH H为为热焓的变化即熔化潜热。热焓的变化即熔化潜热。l l在等温等压下，由式在等温等压下，由式(1-1)(1-1)得熔化时熵值的变化为得熔化时熵值的变化为 (1-2)(1-2)d dS S值的大小描述了金属由固态变成液态时，原子由规则排列值的大小描述了金属由固态变成液态时，原子由规则排列变成非规则排列的紊乱程度。变成非规则排列的紊乱程度。第24页，共59页，编辑于2022年，星期一1.2 液态金属的结构液态金属的结

36、构l l液态金属的结构分析液态金属的结构分析液态金属的结构分析液态金属的结构分析(表观特征表观特征表观特征表观特征)下一内容下一内容回主目录回主目录 具有流动性具有流动性具有流动性具有流动性 （液体最显著的性质）（液体最显著的性质）（液体最显著的性质）（液体最显著的性质）；可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形 状状状状 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）；不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承

37、受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体 的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强的原子或分子之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）（类似于气体，不同于固体）；具有自由表面具有自由表面具有自由表面具有自由表面 （类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气 体）体）体）体）；液体可压缩性很低液体可压缩性很低液体可压缩性很低液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气（类

38、似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气（类似于固体，不同于气 体）。体）。体）。体）。表表表表观观观观特特特特征征征征第25页，共59页，编辑于2022年，星期一l l液体结构液体结构液体性质液体性质 物理性质：密度、黏度、电导率、热导率和扩散系数等物理性质：密度、黏度、电导率、热导率和扩散系数等 物理化学性质：等压热熔、等容热熔、熔化和汽化潜热、物理化学性质：等压热熔、等容热熔、熔化和汽化潜热、表面张力等表面张力等 热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数等热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数等l l液态金属结构的研究方法液态金属结构的研究方法 间接方法：即通过固态间接方法：即通过固态液态、固态液

39、态、固态气态装变后气态装变后 一些物理性质的变一些物理性质的变 化判断液态原子结合状况；化判断液态原子结合状况；直接方法：直接方法：X X射线衍射分析，研究液态金属的原子排列情况射线衍射分析，研究液态金属的原子排列情况.第26页，共59页，编辑于2022年，星期一1.2.1 1.2.1 从物质熔化过程对液态金属结构的认识对对对对比比比比研研研研究究究究 体积和熵值的变化体积和熵值的变化体积和熵值的变化体积和熵值的变化 表表表表1-11-1某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。物质某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。物质某些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。物质某

40、些金属的熵值变化。固体变气体时体积是无限膨胀。物质熔化时体积变化熔化时体积变化熔化时体积变化熔化时体积变化熵变熵变熵变熵变(及焓变及焓变及焓变及焓变)一般均不大：金属熔化时典型的体积一般均不大：金属熔化时典型的体积一般均不大：金属熔化时典型的体积一般均不大：金属熔化时典型的体积变化（多为增大）为变化（多为增大）为变化（多为增大）为变化（多为增大）为33%左右。表明液体的原子间距接近于固体，在左右。表明液体的原子间距接近于固体，在左右。表明液体的原子间距接近于固体，在左右。表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体。熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气

41、体。熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体。熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体。熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热熔化潜热和气化潜热 表表表表1-21-2为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。为某些金属的熔化潜热和汽化潜热。一般熔化潜热只有汽一般熔化潜热只有汽一般熔化潜热只有汽一般熔化潜热只有汽气化潜热的气化潜热的气化潜热的气化潜热的37%,37%,固固固固液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限液原子的结合键破坏有限,液态和固态的结液态和固态的结液态和固态的结液态和固态

42、的结构是相似的构是相似的构是相似的构是相似的。上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录图图第27页，共59页，编辑于2022年，星期一1.2.2 X射线衍射对液态结构分析液态与固态、气态结构比较及衍射特征液态与固态、气态结构比较及衍射特征l l晶体：平移、对称特征（长程有序）晶体：平移、对称特征（长程有序）原子以一定方式原子以一定方式 周期排列在三维空间的晶格节点上，同时原子以某周期排列在三维空间的晶格节点上，同时原子以某 种模式在平衡位置上做热振动。种模式在平衡位置上做热振动。l l气体：完全无序为特征气体：完全无序为特征分子不停的作无规则运动。分子不停的作无规则运动。l l液态：？

43、液态：？l l液态金（液态金（AuAu）的）的X X射线衍射图像射线衍射图像-显示出一个漫射的衍射环，这显示出一个漫射的衍射环，这说明在液态金中存在一些紊乱分布的原子，造成对说明在液态金中存在一些紊乱分布的原子，造成对X X射线的散射。射线的散射。l l固态金（固态金（AuAu）的）的X X射线衍射图像射线衍射图像-为分布规则的亮斑（点），为分布规则的亮斑（点），显示出了从特点晶面反射相一致的衍射斑。显示出了从特点晶面反射相一致的衍射斑。第28页，共59页，编辑于2022年，星期一 （1 1）比较液态金比较液态金-固态金的固态金的X X射线衍射强度射线衍射强度 由图可知，图中液态金有两个明显的

44、强度突峰，他们和固体金的衍由图可知，图中液态金有两个明显的强度突峰，他们和固体金的衍射强度位置一致射强度位置一致。（2 2）液态金的径向分布密度（偶分布函数）液态金的径向分布密度（偶分布函数）偶分布函数偶分布函数g(r)g(r)的物理意义：离开参考原子（处于坐标原点的物理意义：离开参考原子（处于坐标原点r=0r=0）距离为）距离为r r位置的数密度位置的数密度（r r）对于平均数密度）对于平均数密度 0 0(=N/V)(=N/V)的相的相对偏差对偏差 。（r r）=0 0 g(r)g(r)第29页，共59页，编辑于2022年，星期一l l当（距参考原子的距离）小于原子半径，由于原子斥力，使当（

45、距参考原子的距离）小于原子半径，由于原子斥力，使（）=0=0l l当（距参考原子的距离）较大（当（距参考原子的距离）较大（，(r)(r)（液态金的容（液态金的容积密度，表示较大体积中，原子的平均密度，相当于非晶态）。积密度，表示较大体积中，原子的平均密度，相当于非晶态）。l l 这说明，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态相似；这说明，在近距离范围内，液态原子的排列位置与固态相似；而在远距离范围内就缺乏有序排列了。而在远距离范围内就缺乏有序排列了。l l平均原子间距：对液态，对应于平均原子间距：对液态，对应于g(r)g(r)第一峰的位置，第一峰的位置，r=rr=r1 1表表 示参考原子至其

46、周围第一配层各原子的平示参考原子至其周围第一配层各原子的平 均原子间距。均原子间距。第30页，共59页，编辑于2022年，星期一利用利用X X射线衍射资料绘制射线衍射资料绘制 图像图像 得出等同配排列（等同距离）壳层中的实际原子数目得出等同配排列（等同距离）壳层中的实际原子数目-（配位数）（配位数）参考原子rdr-为至所选定原子的距离。从三维空间说，相当于一所选定原子为中心的一系列球体的半径。-密度函数 -表示围绕所选定原子的半径为r,厚度为dr的一层球壳层中的原子数的多少。第一个等同配位壳层中的原子数目实 际上就是液态金属的配位数。配位数=为一个单峰的外推边界r1 r2第31页，共59页，编

47、辑于2022年，星期一液态铝的径向密度 右图为700时液态Al中原子分布曲线。柱状线表示固态柱状线表示固态Al中原子的分布规律。中原子的分布规律。固态铝中固态铝中的原子位置是固定的，在平衡位置附近作热振动，故球的原子位置是固定的，在平衡位置附近作热振动，故球壳上的原子数显示出是某一固定的数值，呈现一条条的壳上的原子数显示出是某一固定的数值，呈现一条条的柱状线。每一条柱状线都有明确的位置和高度值柱状线。每一条柱状线都有明确的位置和高度值(原子原子数数)。若若700液体铝是理想的均匀非晶态液体，则其原液体铝是理想的均匀非晶态液体，则其原子分布为抛物线。子分布为抛物线。实际的实际的700液体铝的原子

48、分布为一条有多个峰谷的曲液体铝的原子分布为一条有多个峰谷的曲线，是连续非间断的。曲线的第一个峰值和第二个峰值接线，是连续非间断的。曲线的第一个峰值和第二个峰值接近固态时柱状线的高度值近固态时柱状线的高度值(原子数原子数)，此后就接近于理想液，此后就接近于理想液体的原子平均密度分布曲线了。这说明原子已无固定的位体的原子平均密度分布曲线了。这说明原子已无固定的位置，是瞬息万变的。液态铝中原子的排列在几个原子间距置，是瞬息万变的。液态铝中原子的排列在几个原子间距的范围内，与固态铝原子的排列方式基本一致，而远离选的范围内，与固态铝原子的排列方式基本一致，而远离选定原子后就完全不同于固态了定原子后就完全

49、不同于固态了。图1-3 700时液态Al中原子分布曲线1-实际液态铝原子分布2-理想液态铝原子分布3-固态铝的原子分布第32页，共59页，编辑于2022年，星期一 固态金属中原子的停留时间长，衍射结果将得到一条条清晰的线，每条线都有明确固态金属中原子的停留时间长，衍射结果将得到一条条清晰的线，每条线都有明确的位置的位置(r)和峰值和峰值(原子数原子数)液态金属中除热振动外，尚有激烈的瞬息万变的跳跃，每个原子没有固定液态金属中除热振动外，尚有激烈的瞬息万变的跳跃，每个原子没有固定的位置，故衍射结果为一条条带，其峰值位置表示在衍射过程中相邻原子间最的位置，故衍射结果为一条条带，其峰值位置表示在衍射

50、过程中相邻原子间最大几率的原子间距。大几率的原子间距。由图可见，液态金属的原子分布曲线波动于平均密度曲线由图可见，液态金属的原子分布曲线波动于平均密度曲线4 r2 0的上下，其第一的上下，其第一个峰值位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近。第二峰尚略可见，而在距选定原个峰值位置和固态衍射线极为相近，其配位数也相近。第二峰尚略可见，而在距选定原子不太远的距离子不太远的距离(10埃埃)时它与平均密度线相重，即此处的原于排列已无序了。时它与平均密度线相重，即此处的原于排列已无序了。这些结果说明：液态金属中原子的排列在几个原于间距的范围内，与其固态的排列这些结果说明：液态金属中原子的排列在几个原于间