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1、第二章液态金属结构第1页，本讲稿共31页一固体金属的加热、膨胀、熔化一固体金属的加热、膨胀、熔化（一）（一）原子间作用力的电子理论原子间作用力的电子理论（二）（二）金属的加热膨胀金属的加热膨胀（三）（三）金属的熔化金属的熔化第2页，本讲稿共31页2（一）原子间作用力的电子理论（一）原子间作用力的电子理论（一）原子间作用力的电子理论（一）原子间作用力的电子理论由于自由电子与正离子间的吸引力由于自由电子与正离子间的吸引力由于自由电子与正离子间的吸引力由于自由电子与正离子间的吸引力所表现的两个原子间的吸力所表现的两个原子间的吸力所表现的两个原子间的吸力所表现的两个原子间的吸力,和由和由和由和由于电子
2、高速运动产生的离心力所表于电子高速运动产生的离心力所表于电子高速运动产生的离心力所表于电子高速运动产生的离心力所表现的两个原子间的斥力，这两种力现的两个原子间的斥力，这两种力现的两个原子间的斥力，这两种力现的两个原子间的斥力，这两种力的综合作用，使得两个原子间保持的综合作用，使得两个原子间保持的综合作用，使得两个原子间保持的综合作用，使得两个原子间保持一定的距离，组成一定的晶格形式。一定的距离，组成一定的晶格形式。一定的距离，组成一定的晶格形式。一定的距离，组成一定的晶格形式。两正离子之间距离为两正离子之间距离为两正离子之间距离为两正离子之间距离为R R R R0 0 0 0时，即时，即时，即
3、时，即:引力能引力能引力能引力能=斥力能斥力能斥力能斥力能系统最稳定，因此，一定条件下，系统最稳定，因此，一定条件下，系统最稳定，因此，一定条件下，系统最稳定，因此，一定条件下，金属具有一定的原子排列。金属具有一定的原子排列。金属具有一定的原子排列。金属具有一定的原子排列。R0作用力作用能W第3页，本讲稿共31页3（二）金属的加热膨胀1.原子间作用力的不对称性引起的膨胀因势能与离子之间的距离的关系是不对称的，当温度因势能与离子之间的距离的关系是不对称的，当温度因势能与离子之间的距离的关系是不对称的，当温度因势能与离子之间的距离的关系是不对称的，当温度升高，离子发生振动，互相靠近时，产生的斥力要
4、比远离时升高，离子发生振动，互相靠近时，产生的斥力要比远离时升高，离子发生振动，互相靠近时，产生的斥力要比远离时升高，离子发生振动，互相靠近时，产生的斥力要比远离时产生的引力大，从而使离子相互间易于远离而不易靠近，结产生的引力大，从而使离子相互间易于远离而不易靠近，结产生的引力大，从而使离子相互间易于远离而不易靠近，结产生的引力大，从而使离子相互间易于远离而不易靠近，结果使原子间的距离加大。果使原子间的距离加大。果使原子间的距离加大。果使原子间的距离加大。WRR0第4页，本讲稿共31页4 2 2空穴的产生空穴的产生空穴的产生空穴的产生除了离子间的距离加大以外，点阵中空穴的产生也是造除了离子间的
5、距离加大以外，点阵中空穴的产生也是造除了离子间的距离加大以外，点阵中空穴的产生也是造除了离子间的距离加大以外，点阵中空穴的产生也是造成膨胀的原因：成膨胀的原因：成膨胀的原因：成膨胀的原因：由于能量起伏，总有一些原子具有比平均能量高的能由于能量起伏，总有一些原子具有比平均能量高的能由于能量起伏，总有一些原子具有比平均能量高的能由于能量起伏，总有一些原子具有比平均能量高的能量，使它们能克服周围原子的能垒跑到新的环境中去，量，使它们能克服周围原子的能垒跑到新的环境中去，量，使它们能克服周围原子的能垒跑到新的环境中去，量，使它们能克服周围原子的能垒跑到新的环境中去，如金属的表面或原子的间隙之中。原子离
6、开点阵之后，如金属的表面或原子的间隙之中。原子离开点阵之后，如金属的表面或原子的间隙之中。原子离开点阵之后，如金属的表面或原子的间隙之中。原子离开点阵之后，即留下了自由点阵空穴。温度越高，原子的能量越大，即留下了自由点阵空穴。温度越高，原子的能量越大，即留下了自由点阵空穴。温度越高，原子的能量越大，即留下了自由点阵空穴。温度越高，原子的能量越大，产生的空穴数越多，从而造成金属的膨胀，在熔点附产生的空穴数越多，从而造成金属的膨胀，在熔点附产生的空穴数越多，从而造成金属的膨胀，在熔点附产生的空穴数越多，从而造成金属的膨胀，在熔点附近，空穴的数量可达原子总数的近，空穴的数量可达原子总数的近，空穴的数
7、量可达原子总数的近，空穴的数量可达原子总数的1%1%。第5页，本讲稿共31页5（三）金属的熔化（三）金属的熔化（三）金属的熔化（三）金属的熔化金属加热到熔点附近时：金属加热到熔点附近时：金属加热到熔点附近时：金属加热到熔点附近时：体积突然膨胀体积突然膨胀体积突然膨胀体积突然膨胀35%35%；电阻、粘性等突变；电阻、粘性等突变；电阻、粘性等突变；电阻、粘性等突变；熔熔熔熔化化化化潜潜潜潜热热热热：在在在在吸吸吸吸收收收收大大大大量量量量的的的的热热热热量量量量的的的的情情情情况况况况下下下下，金金金金属属属属的的的的温温温温度度度度并并并并不不不不升升升升高高高高，理理理理解解解解为为为为原原原
8、原子子子子间间间间的的的的引引引引力力力力急急急急剧剧剧剧减减减减小小小小，从从从从而而而而造造造造成成成成原原原原子子子子结结结结合合合合键键键键的的的的突突突突然然然然破坏破坏破坏破坏，原子间的规则排列突然崩溃，金属进入液体状态。，原子间的规则排列突然崩溃，金属进入液体状态。，原子间的规则排列突然崩溃，金属进入液体状态。，原子间的规则排列突然崩溃，金属进入液体状态。热力学条件：外界所提供的潜热除由于体积膨胀作功热力学条件：外界所提供的潜热除由于体积膨胀作功热力学条件：外界所提供的潜热除由于体积膨胀作功热力学条件：外界所提供的潜热除由于体积膨胀作功外，另一部分则增加了系统的内能。外，另一部分
9、则增加了系统的内能。外，另一部分则增加了系统的内能。外，另一部分则增加了系统的内能。在恒压下在恒压下在恒压下在恒压下：qq为外界供给的热量；为外界供给的热量；为外界供给的热量；为外界供给的热量；u u为内能；为内能；为内能；为内能；pdvpdv为膨胀功；为膨胀功；为膨胀功；为膨胀功；HH为热焓，在等温为热焓，在等温为热焓，在等温为热焓，在等温等压条件下：等压条件下：等压条件下：等压条件下：熵值的增加熵值的增加熵值的增加熵值的增加，意味着结构排列的混乱。从有序到无序的过程。，意味着结构排列的混乱。从有序到无序的过程。，意味着结构排列的混乱。从有序到无序的过程。，意味着结构排列的混乱。从有序到无序
10、的过程。第6页，本讲稿共31页6二液态金属结构二液态金属结构（一）（一）液态金属与固体的差别液态金属与固体的差别（二）（二）X-X-射线对液态金属结构的研究结果射线对液态金属结构的研究结果（三）（三）液态金属结构理论液态金属结构理论（四）（四）实际金属与合金的液体结构实际金属与合金的液体结构（五）液态金属结构转变的理论与实践（五）液态金属结构转变的理论与实践第7页，本讲稿共31页7（一）液态金属与固体的差别（一）液态金属与固体的差别潜热潜热：键能的破坏；键能的破坏；熵变熵变:熵值的增加熵值的增加;力学性质力学性质:易动性，不能承受剪、拉应力易动性，不能承受剪、拉应力 第8页，本讲稿共31页8（
11、二）（二）（二）（二）X-X-射线对液态金属结构的研究结果射线对液态金属结构的研究结果射线对液态金属结构的研究结果射线对液态金属结构的研究结果1 1衍射图像；固体金属是规则分布的斑点，而液态金属是漫衍射图像；固体金属是规则分布的斑点，而液态金属是漫衍射图像；固体金属是规则分布的斑点，而液态金属是漫衍射图像；固体金属是规则分布的斑点，而液态金属是漫射光环，无序原子造成的射光环，无序原子造成的射光环，无序原子造成的射光环，无序原子造成的X X射线漫射。衍射强度分布图。射线漫射。衍射强度分布图。射线漫射。衍射强度分布图。射线漫射。衍射强度分布图。2.2.配位数：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原
12、配位数：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原配位数：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原配位数：表示参考原子周围最近邻（即第一壳层）原子数子数子数子数3.3.径向密度分布径向密度分布径向密度分布径向密度分布,或径向分布密度：或径向分布密度：或径向分布密度：或径向分布密度：（radicaldistributionfunction-RDFradicaldistributionfunction-RDF）表示在表示在表示在表示在rr+drrr+dr间球壳中的原子数多少。间球壳中的原子数多少。间球壳中的原子数多少。间球壳中的原子数多少。固体中原子是固定的，故球壳中的原子数固体中原子是固定的，故球壳中
13、的原子数固体中原子是固定的，故球壳中的原子数固体中原子是固定的，故球壳中的原子数是某一固定的数，而呈现一条条的直线。是某一固定的数，而呈现一条条的直线。是某一固定的数，而呈现一条条的直线。是某一固定的数，而呈现一条条的直线。第9页，本讲稿共31页94.4.4.4.偶分布函数偶分布函数偶分布函数偶分布函数:g(r)g(r)）特征：即距某一参考粒子）特征：即距某一参考粒子）特征：即距某一参考粒子）特征：即距某一参考粒子r r处找到另一粒子的处找到另一粒子的处找到另一粒子的处找到另一粒子的几率，或几率，或几率，或几率，或r r处对于平均数密度处对于平均数密度处对于平均数密度处对于平均数密度0 0（=
14、N/V=N/V）的相对偏）的相对偏）的相对偏）的相对偏差。差。差。差。GSL第10页，本讲稿共31页10（三）液态金属结构理论（三）液态金属结构理论（三）液态金属结构理论（三）液态金属结构理论1 1晶格理论晶格理论晶格理论晶格理论 近程有序，远程无序。近程有序，远程无序。近程有序，远程无序。近程有序，远程无序。2 2紊乱排列的密集球堆理论紊乱排列的密集球堆理论紊乱排列的密集球堆理论紊乱排列的密集球堆理论 BernalBernalBernalBernal的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆理论和模型理论和模型理论和模型理论和模型3.3.液态金属的晶体缺陷模型液态金属的
15、晶体缺陷模型液态金属的晶体缺陷模型液态金属的晶体缺陷模型微晶模型微晶模型微晶模型微晶模型：液态金属由很多微小晶体和面缺陷组成：液态金属由很多微小晶体和面缺陷组成：液态金属由很多微小晶体和面缺陷组成：液态金属由很多微小晶体和面缺陷组成 空穴模型空穴模型空穴模型空穴模型：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位 位错模型位错模型位错模型位错模型：液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构：液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构：液态金属可以看成是一种
16、被位错芯严重破坏的点阵结构：液态金属可以看成是一种被位错芯严重破坏的点阵结构 综合模型综合模型综合模型综合模型：液态金属是由大量不停：液态金属是由大量不停：液态金属是由大量不停：液态金属是由大量不停“游动游动游动游动”着的原子团簇组成，团簇内着的原子团簇组成，团簇内着的原子团簇组成，团簇内着的原子团簇组成，团簇内为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。似乎原为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。似乎原为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。似乎原为某种有序结构，团簇周围是一些散乱无序的原子。似乎原子团簇本身在子团簇本身在子团簇本身在子团簇本身在“游动游动游动游动”一样，团簇
17、的尺寸及其内部原子数量都随一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随 温度变化而变化。温度变化而变化。温度变化而变化。温度变化而变化。第11页，本讲稿共31页11BernalBernalBernalBernal的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆的无规密集硬球堆理论：理论：理论：理论：液体是原子紊乱的密集球堆。即液体是均质的互相粘着液体是原子紊乱的密集球堆。即液体是均质的互相粘着液体是原子紊乱的密集球堆。即液体是均质的互相粘着液体是原子紊乱的密集球堆。即液体是均质的互相粘着的、本质上是不规则的原子集合体，既不包含有晶
18、体区的、本质上是不规则的原子集合体，既不包含有晶体区的、本质上是不规则的原子集合体，既不包含有晶体区的、本质上是不规则的原子集合体，既不包含有晶体区域，也没有收容其它原子的空洞。域，也没有收容其它原子的空洞。域，也没有收容其它原子的空洞。域，也没有收容其它原子的空洞。BernalBernalBernalBernal的无规密集硬球堆模型：的无规密集硬球堆模型：的无规密集硬球堆模型：的无规密集硬球堆模型：几千个钢球到入一个球形袋内紧实，得到紊乱排列的密集球几千个钢球到入一个球形袋内紧实，得到紊乱排列的密集球几千个钢球到入一个球形袋内紧实，得到紊乱排列的密集球几千个钢球到入一个球形袋内紧实，得到紊乱
19、排列的密集球堆，之后浇上油漆使之粘合再一起。即可得到配位数；称堆，之后浇上油漆使之粘合再一起。即可得到配位数；称堆，之后浇上油漆使之粘合再一起。即可得到配位数；称堆，之后浇上油漆使之粘合再一起。即可得到配位数；称为为为为“伪晶核伪晶核伪晶核伪晶核”的高致密区的高致密区的高致密区的高致密区-晶胚晶胚晶胚晶胚根据根据根据根据无规密集硬球堆无规密集硬球堆无规密集硬球堆无规密集硬球堆理论，得到的理论，得到的理论，得到的理论，得到的结构中有结构中有结构中有结构中有五种多面体五种多面体五种多面体五种多面体间隙间隙间隙间隙第12页，本讲稿共31页12（四）实际金属与合金的液体结构（四）实际金属与合金的液体结
20、构（四）实际金属与合金的液体结构（四）实际金属与合金的液体结构实际金属与合金的液体结构，存在着三种起伏：温度、结构、浓度实际金属与合金的液体结构，存在着三种起伏：温度、结构、浓度实际金属与合金的液体结构，存在着三种起伏：温度、结构、浓度实际金属与合金的液体结构，存在着三种起伏：温度、结构、浓度实际金属与合金的液体结构实际金属与合金的液体结构实际金属与合金的液体结构实际金属与合金的液体结构理想的液态金属：是一种物理透明的液体，不含有气体、夹杂、理想的液态金属：是一种物理透明的液体，不含有气体、夹杂、理想的液态金属：是一种物理透明的液体，不含有气体、夹杂、理想的液态金属：是一种物理透明的液体，不含
21、有气体、夹杂、悬浮物等。悬浮物等。悬浮物等。悬浮物等。实际金属与合金的液体：实际金属与合金的液体：实际金属与合金的液体：实际金属与合金的液体：n n凡固态时原子排列致密的合金，熔化后仍能牢固地保持组织状态直至到很高凡固态时原子排列致密的合金，熔化后仍能牢固地保持组织状态直至到很高凡固态时原子排列致密的合金，熔化后仍能牢固地保持组织状态直至到很高凡固态时原子排列致密的合金，熔化后仍能牢固地保持组织状态直至到很高温度；温度；温度；温度；n n晶界、加工变形部分势能高熔化时最早失去原来晶体特性进入紊乱态；晶粒晶界、加工变形部分势能高熔化时最早失去原来晶体特性进入紊乱态；晶粒晶界、加工变形部分势能高熔
22、化时最早失去原来晶体特性进入紊乱态；晶粒晶界、加工变形部分势能高熔化时最早失去原来晶体特性进入紊乱态；晶粒中心、特别是结合键很强的化合物在很高温度才失去结晶痕迹。中心、特别是结合键很强的化合物在很高温度才失去结晶痕迹。中心、特别是结合键很强的化合物在很高温度才失去结晶痕迹。中心、特别是结合键很强的化合物在很高温度才失去结晶痕迹。如：铁水中存在的石墨晶粒，铸铁组织的遗传性。如：铁水中存在的石墨晶粒，铸铁组织的遗传性。如：铁水中存在的石墨晶粒，铸铁组织的遗传性。如：铁水中存在的石墨晶粒，铸铁组织的遗传性。n n离合金的熔点越近，液体系统越复杂离合金的熔点越近，液体系统越复杂离合金的熔点越近，液体系
23、统越复杂离合金的熔点越近，液体系统越复杂n n组元间原子体积差越大，温度下降时同类原子聚合、分层；组元间原子体积差越大，温度下降时同类原子聚合、分层；组元间原子体积差越大，温度下降时同类原子聚合、分层；组元间原子体积差越大，温度下降时同类原子聚合、分层；n n共晶结晶时，组成两相为化合物或固溶体，在共晶前两相各类原子开始聚合。共晶结晶时，组成两相为化合物或固溶体，在共晶前两相各类原子开始聚合。共晶结晶时，组成两相为化合物或固溶体，在共晶前两相各类原子开始聚合。共晶结晶时，组成两相为化合物或固溶体，在共晶前两相各类原子开始聚合。第13页，本讲稿共31页13 三液体合金的性质三液体合金的性质（一）
24、（一）液态金属的粘度液态金属的粘度（二）（二）液态金属的表面张力液态金属的表面张力第14页，本讲稿共31页14（一）液态金属的粘度（一）液态金属的粘度（一）液态金属的粘度（一）液态金属的粘度1 1、液体粘度的实质液体粘度的实质液体粘度的实质液体粘度的实质2 2、影响液态金属粘度的因素影响液态金属粘度的因素影响液态金属粘度的因素影响液态金属粘度的因素n n粘粘粘粘度度度度反反反反映映映映了了了了原原原原子子子子间间间间结结结结合合合合力力力力的的的的强强强强弱弱弱弱，类类类类似于熔点，难熔似于熔点，难熔似于熔点，难熔似于熔点，难熔 金属的粘度一般较大。金属的粘度一般较大。金属的粘度一般较大。金属
25、的粘度一般较大。n n一般温度越高、粘度下降一般温度越高、粘度下降一般温度越高、粘度下降一般温度越高、粘度下降第15页，本讲稿共31页153 3、粘度在铸造生产中的意义粘度在铸造生产中的意义粘度在铸造生产中的意义粘度在铸造生产中的意义n n金属的流动性、充型能力；金属的流动性、充型能力；金属的流动性、充型能力；金属的流动性、充型能力；n n液态金属中夹杂、气泡的排出；液态金属中夹杂、气泡的排出；液态金属中夹杂、气泡的排出；液态金属中夹杂、气泡的排出；n n液态金属的补缩能力液态金属的补缩能力液态金属的补缩能力液态金属的补缩能力:补缩距离的长度与粘度系数的补缩距离的长度与粘度系数的补缩距离的长度
26、与粘度系数的补缩距离的长度与粘度系数的平方根成反比：平方根成反比：平方根成反比：平方根成反比：n n液液液液态态态态金金金金属属属属的的的的对对对对流流流流、结结结结晶晶晶晶形形形形态态态态及及及及偏偏偏偏析析析析等。等。等。等。第16页，本讲稿共31页16（二）液态金属的表面张力（二）液态金属的表面张力1 1、表面张力的实质及影响因素表面张力的实质及影响因素2 2、界面张力与界面能界面张力与界面能3 3、表面张力在铸造过程中的意义表面张力在铸造过程中的意义第17页，本讲稿共31页171 1表面张力的实质及影响因素表面张力的实质及影响因素表面张力的实质及影响因素表面张力的实质及影响因素表表表表
27、面面面面张张张张力力力力：表表表表面面面面上上上上平平平平行行行行于于于于表表表表面面面面方方方方向向向向且且且且各各各各方方方方向向向向上上上上大大大大小小小小相相相相等等等等的的的的张张张张力力力力（N/mN/m）。）。）。）。表面自由能表面自由能表面自由能表面自由能：为产生新的单位面积时系统自由能的增加量为产生新的单位面积时系统自由能的增加量为产生新的单位面积时系统自由能的增加量为产生新的单位面积时系统自由能的增加量(J/m(J/m2 2)。恒温下自由能的增量为：恒温下自由能的增量为：恒温下自由能的增量为：恒温下自由能的增量为：dF=du-Tds=dQ-dw-Tds=Tds-dw-Tds
28、=-dwdF=du-Tds=dQ-dw-Tds=Tds-dw-Tds=-dw设设设设表表表表面面面面自自自自由由由由能能能能为为为为，当当当当使使使使表表表表面面面面增增增增加加加加dAdA表表表表面面面面积积积积时时时时，外外外外界界界界对对对对系系系系统统统统所所所所作的功为作的功为作的功为作的功为dw=dAdw=dA，即即即即抵抵抵抵抗抗抗抗表表表表面面面面张张张张力力力力而而而而使使使使系系系系统统统统表表表表面面面面积积积积扩扩扩扩大大大大所所所所消消消消耗耗耗耗的的的的能能能能量量量量，等等等等于于于于系统系统系统系统 自由能的增量：自由能的增量：自由能的增量：自由能的增量：dw=
29、dA=dFdw=dA=dF第18页，本讲稿共31页18可见，可见，可见，可见，表面能即单位面积上的自由能表面能即单位面积上的自由能表面能即单位面积上的自由能表面能即单位面积上的自由能。表面自由能由表面能和表面熵两部分组成：表面自由能由表面能和表面熵两部分组成：表面自由能由表面能和表面熵两部分组成：表面自由能由表面能和表面熵两部分组成：=u=ub b-TS-TSb buub b-表面内能表面内能表面内能表面内能；T-T-绝对温度；绝对温度；绝对温度；绝对温度；S Sb b-表面熵表面熵表面熵表面熵表面熵：表面熵：表面熵：表面熵：组态熵组态熵组态熵组态熵+振动熵振动熵振动熵振动熵组态熵：组态熵：组
30、态熵：组态熵：由于表面上容易形成空位而使熵值增加由于表面上容易形成空位而使熵值增加由于表面上容易形成空位而使熵值增加由于表面上容易形成空位而使熵值增加振动熵：振动熵：振动熵：振动熵：由于表面上原子相对较少，振动频率减小，由于表面上原子相对较少，振动频率减小，由于表面上原子相对较少，振动频率减小，由于表面上原子相对较少，振动频率减小，使熵值增加。使熵值增加。使熵值增加。使熵值增加。n n向向向向系系系系统统统统中中中中加加加加入入入入异异异异类类类类原原原原子子子子能能能能削削削削弱弱弱弱系系系系统统统统原原原原子子子子间间间间的的的的结结结结合合合合能能能能，使使使使u ub b下下下下降降降
31、降，同同同同时时时时又又又又使使使使S Sb b升升升升高高高高，结结结结果果果果导导导导致表面能降低。致表面能降低。致表面能降低。致表面能降低。n n一一一一定定定定温温温温度度度度下下下下，表表表表面面面面能能能能主主主主要要要要由由由由表表表表面面面面内内内内能能能能决决决决定定定定，而而而而表表表表面面面面能能能能又又又又取取取取决决决决于于于于原原原原子子子子间间间间的的的的结结结结 合合合合力力力力的的的的大大大大小小小小。原原原原子子子子间的结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越高。间的结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越高。间的结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能
32、越高。间的结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越高。n n 表面能还与晶面有关，若晶面为密排面（低指数面），因其与晶体内部表面能还与晶面有关，若晶面为密排面（低指数面），因其与晶体内部表面能还与晶面有关，若晶面为密排面（低指数面），因其与晶体内部表面能还与晶面有关，若晶面为密排面（低指数面），因其与晶体内部 原原原原子子子子配配配配位位位位数数数数的的的的差差差差值值值值小小小小，表表表表面面面面内内内内能能能能也也也也小小小小，反反反反之之之之高高高高指指指指数数数数面面面面（非非非非密密密密排排排排面面面面）的的的的表表表表面面面面能能能能高高高高。故，晶体的表面常为低指数（密排面）。
33、故，晶体的表面常为低指数（密排面）。故，晶体的表面常为低指数（密排面）。故，晶体的表面常为低指数（密排面）。总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大总之，原子间的结合力大的物质，其熔点和沸点越高，其表面张力也越大。第19页，本讲稿共31页192 2、界面张力与界面能界面张力与界面能 当两个相共同组成一个界面时当两个相共同组成一个界面时当两个相共同组成一个界面时当两个相共同组成一个界面时,其界面张力的大小与两相质点间的结合力其界面张力的大小与两相
34、质点间的结合力其界面张力的大小与两相质点间的结合力其界面张力的大小与两相质点间的结合力的大小成反比。的大小成反比。的大小成反比。的大小成反比。取两个球体：取两个球体：取两个球体：取两个球体：A A、B B为形成一个为形成一个为形成一个为形成一个A-BA-B界面：界面：界面：界面：将将将将A A、B B分割为两个半球，分割为两个半球，分割为两个半球，分割为两个半球，断面积为断面积为断面积为断面积为1cm1cm2 2,所需要的功为所需要的功为所需要的功为所需要的功为WWAAAA、WWBBBB，将两个，将两个，将两个，将两个A-BA-B结合体分开所作的功为结合体分开所作的功为结合体分开所作的功为结合
35、体分开所作的功为2W2WABAB，而使，而使，而使，而使它们再结合到一起所作的功为它们再结合到一起所作的功为它们再结合到一起所作的功为它们再结合到一起所作的功为-2W-2WABAB，因此，产生两个，因此，产生两个，因此，产生两个，因此，产生两个A-BA-B界面所作的功界面所作的功界面所作的功界面所作的功为：为：为：为：W=WW=WAAAA+W+WBBBB-2W-2WABAB产生一个产生一个产生一个产生一个A-BA-B界面的界面能所作的功为：界面的界面能所作的功为：界面的界面能所作的功为：界面的界面能所作的功为：该功即为该功即为该功即为该功即为A-BA-B界面的界面能：界面的界面能：界面的界面能
36、：界面的界面能：因：因：因：因：WWAAAA=2=2A A；WWBBBB=2=2B B，则：，则：，则：，则：ABAB=A A+B B-W-WABAB说明为使说明为使说明为使说明为使A-BA-B结合体分离作功越大（结合体分离作功越大（结合体分离作功越大（结合体分离作功越大（WWABAB越大），界面能就越小，即两相越大），界面能就越小，即两相越大），界面能就越小，即两相越大），界面能就越小，即两相的结合力越大，界面张力就越小，反之界面能（张力）越大。的结合力越大，界面张力就越小，反之界面能（张力）越大。的结合力越大，界面张力就越小，反之界面能（张力）越大。的结合力越大，界面张力就越小，反之界面能
37、（张力）越大。第20页，本讲稿共31页20物体与气相间的界面能即为表面能。物体与气相间的界面能即为表面能。物体与气相间的界面能即为表面能。物体与气相间的界面能即为表面能。两相间的界面能大小与界面两侧质点间的结合力大小成两相间的界面能大小与界面两侧质点间的结合力大小成两相间的界面能大小与界面两侧质点间的结合力大小成两相间的界面能大小与界面两侧质点间的结合力大小成反比，结合力越大，界面能越小，反之亦然反比，结合力越大，界面能越小，反之亦然反比，结合力越大，界面能越小，反之亦然反比，结合力越大，界面能越小，反之亦然。界面能大小的衡量：用润湿角界面能大小的衡量：用润湿角界面能大小的衡量：用润湿角界面能
38、大小的衡量：用润湿角 来衡量。来衡量。来衡量。来衡量。定义：平衡时，有如下的关系定义：平衡时，有如下的关系定义：平衡时，有如下的关系定义：平衡时，有如下的关系GSGS=LSLS+GLGLCOSCOS 时，时，时，时，90909090，COSCOSCOSCOS 0 0 0 0，不润湿，不润湿，不润湿，不润湿时，时，时，时，9090，COSCOS0 0，润湿，润湿，润湿，润湿=0=0绝对润湿；绝对润湿；绝对润湿；绝对润湿；=180=180时，绝对不润湿。时，绝对不润湿。时，绝对不润湿。时，绝对不润湿。润湿的关键在于两相间的亲和力，亲和力大，则润湿；而亲和润湿的关键在于两相间的亲和力，亲和力大，则润
39、湿；而亲和润湿的关键在于两相间的亲和力，亲和力大，则润湿；而亲和润湿的关键在于两相间的亲和力，亲和力大，则润湿；而亲和力小，则不润湿。力小，则不润湿。力小，则不润湿。力小，则不润湿。GLLSGS第21页，本讲稿共31页213 3、表面张力在铸造过程中的意义、表面张力在铸造过程中的意义n n对表面粘砂的影响对表面粘砂的影响n n对热裂的影响对热裂的影响n n对结晶形态的影响对结晶形态的影响n n对固态金属中各相的物理化学、力学状态等方面的作用对固态金属中各相的物理化学、力学状态等方面的作用（1 1）表面张力引起的曲面两侧的压力差表面张力引起的曲面两侧的压力差（2 2）表面张力对热裂纹的影响表面张
40、力对热裂纹的影响（3 3）相界及晶界处的界面张力作用相界及晶界处的界面张力作用（4 4）界面吸附及其变质作用界面吸附及其变质作用第22页，本讲稿共31页22（1 1）表面张力引起的曲面两侧的压力差）表面张力引起的曲面两侧的压力差）表面张力引起的曲面两侧的压力差）表面张力引起的曲面两侧的压力差当表面有一定的曲度时，表面张力使表面的当表面有一定的曲度时，表面张力使表面的当表面有一定的曲度时，表面张力使表面的当表面有一定的曲度时，表面张力使表面的两侧产生压力差，该压力差与表面的曲率半两侧产生压力差，该压力差与表面的曲率半两侧产生压力差，该压力差与表面的曲率半两侧产生压力差，该压力差与表面的曲率半径成
41、反比：径成反比：径成反比：径成反比：圆柱面时圆柱面时圆柱面时圆柱面时，第23页，本讲稿共31页23(2)(2)表面张力对热裂纹的影响表面张力对热裂纹的影响表面张力对热裂纹的影响表面张力对热裂纹的影响 设液膜为圆柱体，外力作用下，始终存在一个与外力方设液膜为圆柱体，外力作用下，始终存在一个与外力方设液膜为圆柱体，外力作用下，始终存在一个与外力方设液膜为圆柱体，外力作用下，始终存在一个与外力方向相反的力与之平衡向相反的力与之平衡向相反的力与之平衡向相反的力与之平衡 当当当当r=T/2,(Tr=T/2,(T液膜厚度液膜厚度液膜厚度液膜厚度)，达最小值，达最小值，达最小值，达最小值，故使液膜开裂的最小
42、应力为：故使液膜开裂的最小应力为：故使液膜开裂的最小应力为：故使液膜开裂的最小应力为：f=f=第24页，本讲稿共31页24(3)(3)相界及晶界处的界面张力作用及其对低熔点相形态的影响相界及晶界处的界面张力作用及其对低熔点相形态的影响相界及晶界处的界面张力作用及其对低熔点相形态的影响相界及晶界处的界面张力作用及其对低熔点相形态的影响三叉晶相交的情况下，其界面张力与两面角之间的关系为：三叉晶相交的情况下，其界面张力与两面角之间的关系为：三叉晶相交的情况下，其界面张力与两面角之间的关系为：三叉晶相交的情况下，其界面张力与两面角之间的关系为：界面张力为：界面张力为：界面张力为：界面张力为：1 1、2
43、 2、33两面角：两面角：两面角：两面角：1 1、2 2、3 3，证明：证明：证明：证明：向右分力：向右分力：向右分力：向右分力：2 2面分力为面分力为面分力为面分力为，3 3面分力为面分力为面分力为面分力为 1 1面分力为面分力为面分力为面分力为0 0；F F2 2+F+F3 3=0=0：=0=0故：故：故：故：同理同理同理同理：因此因此因此因此：231321第25页，本讲稿共31页25 从表面能因素出发，若同一相的四叉从表面能因素出发，若同一相的四叉从表面能因素出发，若同一相的四叉从表面能因素出发，若同一相的四叉 晶晶晶晶相交于一点，则会在相交于一点，则会在相交于一点，则会在相交于一点，则
44、会在 一定条件下分一定条件下分一定条件下分一定条件下分 解为解为解为解为 两个三叉晶，使系统的能量降低，两个三叉晶，使系统的能量降低，两个三叉晶，使系统的能量降低，两个三叉晶，使系统的能量降低，因此因此因此因此平衡的单相组织中只能看到三叉晶平衡的单相组织中只能看到三叉晶平衡的单相组织中只能看到三叉晶平衡的单相组织中只能看到三叉晶，相互间的夹角为相互间的夹角为相互间的夹角为相互间的夹角为120120，为保证为保证为保证为保证120120120120 的晶界夹角的要求，当晶粒的边数不同时，其晶界的曲度也的晶界夹角的要求，当晶粒的边数不同时，其晶界的曲度也的晶界夹角的要求，当晶粒的边数不同时，其晶界
45、的曲度也的晶界夹角的要求，当晶粒的边数不同时，其晶界的曲度也 不同。不同。不同。不同。当大晶粒与小晶粒相邻时，大晶粒边数多，小晶粒的边数少，于是当大晶粒与小晶粒相邻时，大晶粒边数多，小晶粒的边数少，于是当大晶粒与小晶粒相邻时，大晶粒边数多，小晶粒的边数少，于是当大晶粒与小晶粒相邻时，大晶粒边数多，小晶粒的边数少，于是 小晶粒凹面向内，大晶粒的凹面向外小晶粒凹面向内，大晶粒的凹面向外小晶粒凹面向内，大晶粒的凹面向外小晶粒凹面向内，大晶粒的凹面向外。于是，因界面张力的作用，界面曲度驱动界面迁移，界面向小晶粒推进，于是，因界面张力的作用，界面曲度驱动界面迁移，界面向小晶粒推进，于是，因界面张力的作用
46、，界面曲度驱动界面迁移，界面向小晶粒推进，于是，因界面张力的作用，界面曲度驱动界面迁移，界面向小晶粒推进，大吃小大吃小大吃小大吃小，最后小晶粒消失。高温退火时晶粒长大的规律即是如此。，最后小晶粒消失。高温退火时晶粒长大的规律即是如此。，最后小晶粒消失。高温退火时晶粒长大的规律即是如此。，最后小晶粒消失。高温退火时晶粒长大的规律即是如此。（证明）（证明）（证明）（证明）球状晶时：球状晶时：球状晶时：球状晶时：可见：可见：可见：可见：球形晶两侧化学位之查与界面张力成正比关系，系统趋于最小化学位，表面张力球形晶两侧化学位之查与界面张力成正比关系，系统趋于最小化学位，表面张力球形晶两侧化学位之查与界面
47、张力成正比关系，系统趋于最小化学位，表面张力球形晶两侧化学位之查与界面张力成正比关系，系统趋于最小化学位，表面张力趋动界面由凸面侧推向凹面侧，即大吃小。趋动界面由凸面侧推向凹面侧，即大吃小。趋动界面由凸面侧推向凹面侧，即大吃小。趋动界面由凸面侧推向凹面侧，即大吃小。第26页，本讲稿共31页26凝固后期，在同一固相的两晶粒交界面上凝固后期，在同一固相的两晶粒交界面上凝固后期，在同一固相的两晶粒交界面上凝固后期，在同一固相的两晶粒交界面上存在着的低熔点液相夹杂的形态取决于界面存在着的低熔点液相夹杂的形态取决于界面存在着的低熔点液相夹杂的形态取决于界面存在着的低熔点液相夹杂的形态取决于界面张力，即界
48、面两边晶粒的位向差液相两面角张力，即界面两边晶粒的位向差液相两面角张力，即界面两边晶粒的位向差液相两面角张力，即界面两边晶粒的位向差液相两面角 L L L L，或或或或有三种情况：有三种情况：有三种情况：有三种情况：1 1）当）当）当）当 LsLs SSSS时，时，时，时，cos(cos(L L/2)0,180,/2)0,180,时，时，时，时，夹杂呈球状；夹杂呈球状；夹杂呈球状；夹杂呈球状；2 2）当）当）当）当 LsLs=SSSS时，时，时，时，cos(cos(L L/2)=1/2,=120/2)=1/2,=120时，时，时，时，夹杂呈透镜状；夹杂呈透镜状；夹杂呈透镜状；夹杂呈透镜状；3
49、3）当）当）当）当 LsLs1/21/2SSSS时，时，时，时，cos(cos(L L/2)1,0,/2)1,0,时，时，时，时，夹杂呈薄膜状夹杂呈薄膜状夹杂呈薄膜状夹杂呈薄膜状;分布分布分布分布 于晶界于晶界于晶界于晶界在相同的情况下，平界面的稳定性要高于曲面界面；在相同的情况下，平界面的稳定性要高于曲面界面；在相同的情况下，平界面的稳定性要高于曲面界面；在相同的情况下，平界面的稳定性要高于曲面界面；曲率半径大的稳定度大于曲率半径小的界面，曲率半径大的稳定度大于曲率半径小的界面，曲率半径大的稳定度大于曲率半径小的界面，曲率半径大的稳定度大于曲率半径小的界面，因此条件具备，有曲面的夹杂将要转向
50、平面的夹杂，因此条件具备，有曲面的夹杂将要转向平面的夹杂，因此条件具备，有曲面的夹杂将要转向平面的夹杂，因此条件具备，有曲面的夹杂将要转向平面的夹杂，小颗粒夹杂将转向大颗粒的夹杂；小颗粒夹杂将转向大颗粒的夹杂；小颗粒夹杂将转向大颗粒的夹杂；小颗粒夹杂将转向大颗粒的夹杂；原来以透镜片状存在于两晶界处的夹杂将转移到三叉晶交点处。原来以透镜片状存在于两晶界处的夹杂将转移到三叉晶交点处。原来以透镜片状存在于两晶界处的夹杂将转移到三叉晶交点处。原来以透镜片状存在于两晶界处的夹杂将转移到三叉晶交点处。LSLSgbLLSS第27页，本讲稿共31页27（4 4）界面吸附及其变质作用）界面吸附及其变质作用）界面