合金的物理性质和热力学性质在材料加工过程中的应用.docVIP

合金的物理性质和热力学性质在材料加工过程中的应用 专业：材料加工工程 班级：铸造一班 学号：08S009139 姓名：王超 合金的物理性质和热力学性质在材料加工过程中的应用 -08S009139 王超 1.化合物形成合金及其熔体结构 1.1化合物形成合金简介 1914年，“金属间化合物”这一名词首次从一般的正常化合物中单独区分出来，到目前为止已经发现了大约25000种以上金属间化合物。金属间化合物一般指由两个或更多的金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的长程有序晶体结构和金属基本特征的化合物。近年来，GaAs、Bi2Te3、CdS之类的半导体化合物也包括在金属间化合物之中，并且扩大到元素周期表中硫左侧类金属和非金属元素(氢除外)之间所构成的二元及多元系内出现的所谓中间相。从现实情况考虑，可以如下定义:金属间化合物是指以金属元素或类金属元素为主要组成的二元系或多元系中出现的中间相。金属间化合物的晶体结构往往与纯金属不同，结合方式也有不同类型:负电性相差较大的元素，所形成的化合物带有离子键成分，它们具有一定的原子比，通称为正常价化合物。但多数中间相仍属于金属键合类型，也保留一定的金属性能，其中包括有以电子浓度因素为主导的电子化合物，以原子堆垛形式为特点的拓扑密堆结构和由于组元间原子大小相对差别为主要因素而形成的间隙化合物。 金属间化合物在熔化过程和液体状态下能够表现出一些特殊的性质，比如，一些金属间化合物在熔化时会发生半导体一金属性或金属一非金属转变。大多金属间化合物在液态下由于原子间相互作用较强，具有明显的化合物形成能力，这一性质引起熔体中传输性质的某些特殊变化。因此，对金属间化合物熔体结构和性质的研究，对于材料科学、冶金科学及凝聚态物理的探索具有深远的意义。 1.2化合物形成合金熔体结构特点 化合物形成合金在固态时原子之间具有较强的相互作用，使得其结构相对 复杂。当合金熔化形成金属熔体时，固态时的部分结构特征仍然保留了下来， 因而金属间化合物熔体的结构也要比一般共晶和匀晶合金熔体复杂得多。金属 间化合物的这种特殊的原子结合方式在液态下仍起着非常重要的作用。在大量 的结构或性能随成分变化的研究中，对应固态下金属间化合物形成成分的合金 熔体的结构及性能总是表现出一定的特殊性。比如，大量的研究证明了这些成 分处的合金的物理性能如电阻率、粘度、密度等物性随成分变化的曲线上会出 现某些特征极值。这些极值往往反应了在一些特定成分处，存在最强的化合物 形成能力。这些特定的成分的合金在固态往往是金属间化合物相。在对A1-Fe等合金熔体结构及遗传性的研究过程中，研究者们发现这些合金系统中在固态下形成的化合物结构依然可以保留到熔体结构中，并且对熔体的结构和性能产生一定的影响。并且，随着温度的升高，化合物形成合金熔体中的有序结构也会象固态一样发生转变。 化合物形成合金在熔化时，由于组元原子间强的相互作用(大多为共价结合)，类似于固态结构的原子团簇仍有部分保留到了熔体中，并且这种现象在化合物形成成分处最为明显。这些原子团簇在一定的热力学条件下会被打破，从而导致熔体结构和物理性质的变化，进而对材料加工过程造成影响。 2.合金熔体物理性质在材料加工工程中的应用 液态金属和合金的基本物理性质与其铸造性能密切相关。例如，液态金属和合金的密度、强度和扩散系数以及表面张力与液态金属和合金的流动、偏析和凝固之间的关系。液态金属结构与气、固二态间的关联金属可通过熔化和气化过程在三态间互相转换，了解和认识三态间的关联对我们深入认识液态结构特征有着重要意义。从固态开始，随着温度的升高，固态金属或合金的内能增加。微观层次上原子热运动加剧，原子间能量传递更加频繁，振幅变大，原子间距增加。当温度升至熔点时，熔化首先从晶界开始，晶粒间原子的结合被极大的破坏。原有晶粒内部空位数量大增，并逐渐失去了固定的形状和尺寸。随着能量(熔化潜热)进一步的破坏原子之间的结合，原有的晶粒变成原子集团，金属转变为具有流动能力的熔体。金属或合金熔化后，熔体结构主要由大量的原子集团(其组织结构遗传自固相)及部分自由原子(约10%)组成。在熔化过程中固态的长程有序结构只是被部分打破，仍有大量中程序的团簇存在于熔体之中。随着温度的进一步升高，原子集团的尺寸逐渐变小。当达到沸点后，蒸发潜热使原子间的结合几乎全部破坏，成为单个或双原子结构。从固态到气态，物质结构经历了一个从有序至无序的变化过程。究其成果，可归纳如: ①金属由晶体状态向熔体状态转变不会引起近程有序结构的重组。 ②熔体是由成分和结构不同的游动的有序原子集团与它们之间的各种组元原子呈紊乱分布的无序带所组成，熔体的有序原子集团结构