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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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: 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。 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单元的尺寸和数量影 响结晶动力学和铸件的性质。 同固态条件下的同素异构转变相类似，液态金属也存在有晶型结构转变。 通常铸造合金的熔炼工艺，过热温度都不高（高于液相线以上100 一 200C）、低于液态结构的无序化温度。另外，B.H.尼基金还总结了金属遗
8、传的几个规律 通过一些特殊方法将组织信息储存在炉料中，就可莫定组织遗传基因和控 制合金的遗传性。 合金遗传的倾向性大小取决于合金基体与合金组元之间的物理一化学作 用特点。 在“炉料一熔体一铸件”系统中，整体遗传效应不等于诸元素遗传效应之 和。这可以解释弱遗传效应的情况。 熔体中的弥散质点是炉料金属组织信息的遗传因子（或载体）。 从炉料遗传下来的弥散质点是潜在的结晶核心，在合金制备过程中利用这 些规律可有目的地控制合金的遗传性。熔融金属是铸件质量的基础，因为它的性 能在很大程度上决定了充填铸型的过程和结晶时的物理一化学过程。固体组织来 源于液体结构，根据金属在液态时的结构、物理和热力学特性与固体
9、组织之间的 密切关系，可以认为，不对熔体进行全面研究，取得具有最优性能和最低成本的 优质铸件是不可能的。冶金工作者已注意到，液相中应当有接近于熔化前那样的 原子间的相互作用。成分的不均匀性和能量的分配易于在熔体中形成对固体状态 来说所特有的原子的集团起伏现象。在形成足够尺寸的这样的集团结构并稳定存 在时，便创造了液体结晶的条件。3. 合金熔体物理性质在材料加工工程中的应用早在上一世纪20年代，法国学者Levi首次提出了铸铁中存在遗传性，以此 来解释这一实验事实，推动了人们对铸造过程中遗传现象的研究，对材料的制备 和凝固理论均产生了深远的影响，并引起了材料学家的高度重视。在30-50年代 的研究
10、中，研究者们又发现，铝中的遗传性当过热8-10C时便消失，铋中的遗 传性当过热20-25C时消失;锡中的遗传性在过热10-15C消失。这些新发现大大 激发了人们研究遗传现象和熔体过热之间联系的兴趣，也进一步加深了人们对液 态金属结构的认识。就铸造过程而言，金属材料的获得要经历由液态到固态的转变过程。熔融金 属或合金的质量是铸件质量的基础，液态金属的结构和品质对金属材料的组织、 性能和质量有着直接和重要的影响。金属或合金的液态结构不仅与金属的种类和 合金的成分有关，而且也与熔体的温度以及熔体的热历史有关。因此，国内外都 十分重视对液态金属结构和性质的研究。随着凝固技术和团簇物理学的发展，人 们越
11、来越关注熔体结构对最终凝固组织的影响，对凝固过程的研究逐步延伸到凝 固开始前的液态金属结构对凝固组织的影响降。熔体过热处理指的是将熔融金属液或合金液过热到液相线以上某一温度，保 温一段时间后采取某种方法使其凝固的技术。熔体过热处理能在很大程度上细化 合金组织提高力学性能，这已被人们所认识并被广泛应用，为挖掘材料的性能潜 力开辟了一条行之有效的新途径。在液态金属及合金中，当温度比较低时，存在 着同素异构转变。而在相当高的过热区域中，当熔体结构完全成为无序时，同素 异构转变便消失。这为由改变液体温度条件而改变液体结构，从而改变固体组织 获得高性能材料提供了可能。非平衡热力学证明，一个热力学定态是温
12、度、压力 等的函数。体系从一个定态到另一个定态需要一定的弛豫时间。如果过程进行时 间大于系统弛豫时间，则认为过程是整体平衡的; 如果过程进行时间小于系统弛 豫时间而大于局域过程的弛豫时间的平方，则认为过程是局域平衡; 如果过程进 行时间小于局域过程弛豫时间的平方，则过程是完全非平衡的。熔体过热实质上 应用了这一理论，将液态合金液过热到某一高温保温，达到稳定状态后控制冷却 速度（过程进行时间），使高温熔体的优良结构得以保留至低温，为改善固态组织 创造条件。在固（原始炉料）-液（熔体）-固（固体金属）之间存在不可忽视的遗传联 系。炉料的原始状态对液态和固态合金的结构有极大的遗传影响。金属产品的组 织和性能在很大程度上是由原始熔体的结构所决定。而液相线以上高的过热度会 对熔体结构和性质产生重要影响，可以在很大程度上消除炉料的遗传性。消除了 原始炉料结构遗传痕迹的熔体，通常具有最稳定和最高的使用性能。
