w02-2 液态金属结构

2-2液态金属结构2-2-1由物质熔化过程认识液体结构2-2-2液态金属结构衍射特征2-2-3液态金属结构的理论模型固体：原子被束缚在晶格结点上，以某种模式在平衡位置上作热振动，其振动频率约为1013次/s。按原子聚集形态分为晶体与非晶体。晶体：具有平移、对称性特征（长程有序）—原子以一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，同时原子气体：完全无序为特征—分子不停地作无规律运动液态金属？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。►►液态金属结构？体积只膨胀3～7％，即原子间距平均只增大1～1.5％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。金属SnZnMgAlAgCuFeTi(VL-VS)/VS(%)2.66.94.26.64.994.24.43.2一、金属熔化时的体积变化2-2-1由物质熔化过程认识液体结构表明液体的原子间距接近于固体金属热膨胀系数随熔点升高而降低固体、液体和气体中的原子(分子、离子)间的距离比较ElementTm(0C)Hm(kcal/mol)Tb(0C)Hb(kcal/mol)Hb/HmAl6602.50248069.627.8Au10633.06295081.826.7Cu10833.11257572.823.4Fe15363.63307081.322.4Zn4201.7390727.516.0Cd3211.5376523.815.6Mg6502.08110332.015.4表明原子间结合力？二、金属的熔化潜热与气化潜热CrystalMatterStructureTypeTm(K)△Vm/Vs(%)Sm(J.K-1.mol-1)Nabcc3702.67.03Scbcc3022.66.95Febcc/fcc18093.67.61Alfcc9316.911.6Agfcc12343.519.16Cufcc13563.969.71Mghcp9242.959.71Znhcp6924.0810.7Sncomplex5052.413.8Gacomplex303-2.918.5N2-63.17.52.7Ar-83.7814.43.36CH4-90.678.72.47三、物质熔化时体积变化和熵变表明液体混乱度？物质熔化时体积变化不大：表明液体的原子间距接近于固体；焓变变化不大：熔化潜热Hm比其气化潜热Hb小得多，为1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。熵变变化不大：表明在熔点附近液体的混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。液态金属的结构应接近于固态金属，不可能完全无序！总结液态金属的衍射结构参数偶分布函数g(r)平均原子间距r1径向分布函数配位数N12-2-2液态金属结构衍射特征偶分布函数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）的相对偏差。ρ(r)=ρog(r)平均原子间距r1：对液体（或非晶固体），对应于g(r)第一峰的位置。r=r1表示参考原子至其周围第一配位层各原子的平均原子间距。径向分布函数—RDF：(radicaldistributionfunction）RDF=4πr2ρog(r)表示在r和r+dr之间的球壳中原子数的多少。RDF=4πr2ρog(r),atoms/År,ÅRDF第一峰之下的积分面积即所谓配位数N1稍高于熔点时液态碱金属（Li、Na、K、Rb、Cs）的径向分布函数(RDF)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；N1与r1一起，被认为是液体最重要的结构参数，因为它们描绘了液体的原子排布情况。drrrgNmrr21)(400气体、液体、非晶及晶态固体的结构特点及衍射特征液体：长程无序—不具备平移、对称性；短程有序—相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性t=20pst=40pst=60ps总结2-2-3液态金属结构的理论模型1无规密堆硬球模型2液态金属结构的晶体缺陷模型3液体结构及粒子间相互作用的理论描述4实际液态金属的微观特点无规密堆结构中五种多面体间隙a.四面体；b.八面体；c.四方十二面体；d.三角棱柱多面体；e.阿基米德反棱柱多面体1、无规密堆硬球模型二十面体五重对称实验发现的液体结构类型位错模型：液态金属可以看成是一种被位错严重破坏的点阵结构。在特定的温度以上，在低温条件下不含位错的固体点阵结构由于高密度位错的突然出现而变成液体。液体的缺陷模型与几乎与每一种固体金属的晶体缺陷相对应，诸如点阵空位、位错和晶界等模型。微晶模型：液态金属有很多微小晶体和面缺陷组成，在微晶体中金属原子或离子组成完整的晶体点阵，这些微晶体之间以界面相连接。2、液态金属结构的晶体缺陷模型空穴模型：金属晶体熔化时，在晶体网格中形成大量的空位，从而使液态金属的微观结构失去了长程有序性。大量空位的存在使液态金属易于发生切变，从而具有流动性。随着液态金属温度的提高，空位的数量也不断增加，表现为液态金属的粘度减小。综合认为，液态金属是由大量不停“游动”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。这些原子簇不断地分化组合，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，此起彼伏，不断发生着这样的涨落过程，似乎原子团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及其内部原子数量都随温度变化而变化。3液体结构及粒子间相互作用的理论描述1200℃1700℃1550℃1400℃4、实际液态金属的微观特点“能量起伏”——原子和原子团的能量程正态分布“结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏“浓度起伏”——同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。