工程材料 第三章 材料的凝固与相图

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1、第三章材料的凝固与相图1第一节概论一、凝固与结晶物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体．则这种凝固称为结晶。二、凝固状态的影响因素1.熔融液体的粘度2.熔融液体的冷却速度2熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力。随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。流体的内摩擦力f的大小：S流体层面积；dv/dx相对移动的速率梯度；为粘度；3冷却速度也有直接的影响，如果冷

2、却速度大于106C／s时，金属也能获得非晶态。4第二节纯金属的结晶一、金属结晶的宏观现象过冷现象5第二节纯金属的结晶二、金属结晶的微观现象6第三节金属结晶的基本条件金属各相的状态都有其相应的自由能。相态的自由能G可表示为:G=U-TSU为系统内能；T为热力学温度；S为熵（系统中表征原子排列混乱的程度）G固=U固-TS固G液=U液-TS液一、金属结晶的热力学条件7二、金属结晶的结构条件“近程规则排列”“结构起伏”或“异相起伏”长程规则排列8二、金属结晶的结构条件晶核形成的原因：由分析知液态与固态的结构，配位数，原子间距相似；进一步分析知，液态从长程

3、而言，原子排列是不规则的，但在近程有可能出现瞬间排列的规则性。近程有序结构近程有序结构在金属液体中各处处于“时聚时散，此起彼伏”的不断变动中，这种近程有序的聚散现象，称为结构起伏，或相起伏。液态金属结构的重要特征之一，是产生晶核的基础。可提供金属结晶的结构条件。重要概念：晶胚：在过冷的金属液体中，液态金属出现的某些尺寸较大，较为稳定且原子规则排列方式与金属本身晶格相同的近程有序原子集团，有可能成为潜在的结晶核心。这种在过冷条件下的液态金属中尺寸较大的，与金属本身晶格相同的近程有序原子集团成为晶胚。9一次结晶;二次结晶结晶-----形核;长大的过程10第

4、四节形核的规律一、自发形核(均质形核)当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将从液相中直接涌现，自发形成。这种形核方式称为自发形核，也叫均质形核。这时所形成的晶核称为自发晶核。（一）自发形核的实质（二）临界晶核半径（三）过冷度对形核的影响形核的两种方式：自发形核；非自发形核11当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为晶态的排列状态，使体系内的自由能降低，这是相变的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，又会引起表面自由能的增加，这构成相变的阻力。（一）自发形核的实质12（二）临界晶核半径1314（三）过冷度对

5、形核的影响1516二、非自发形核(异质形核)实际金属结晶时,往往在不到10℃的很小过冷度下便已开始结晶，并不需要自发形核时那样大的过冷度。这是因为，在实际的液态金属中，往往存在一些微小的固相质点，而且，液态金属总会与锭模内壁相接触,于是晶核就优先依附于这些现成的固体表面而形成。这种形核方式称为非自发形核．也叫异质形核。17在分析自发形核时已经知道自发形核的主要困难来自晶核表面由由能的增加。要减小形核的困难，只有设法减小表面自由能的增加。减小的途径有二：一是增大过冷度，使临界半径变小，从而减小晶核的表面积；二是减小单位表面自由能的数值。研究表明，在两相的

6、界面上，两边原子排列得越相似,则两边原子的能量状态越相近，因此，单位表面自由能(比表面能)越小。液态金属中存在的固相质点，如果它的某个表面上的原子排列情况与晶核某个晶面上的原子排列很相似，而且原子间距也差不多，那么，以这种现成固体表面为基底来形核，必然能够大大降低表面自由能的增加，使形核变得较为容易，晶核就优先依附于这些现成固体表面而形成。达就是非自发形核的成因。(一)非自发形核的成因18符合一定条件的固体质点，才能作为非自发形核的基底。这个条件就是：固体质点与晶核的晶格相似，或者至少两者有某个晶面的原子排列相似；其次是两者的晶格常数大小相当，或者原子

7、间距成整数倍，符合这种条件的现成质点称为活性质点。液态金属中的活性质点，可以是残余未溶的固体杂质，也可能是结晶之前先析出的微小夹杂物，还可能是结晶时加入的固体微粒。这些活性质点都能促进非自发形核，使过冷度减小和形核率增大。(一)非自发形核的成因19锆能促进镁的非自发形核。这是因为，两者都具有密排六方晶格。镁的晶格常数为a＝3.2022A，c＝5.1991A。锆的晶格常数为a＝3.223A,c＝5.123A。两者大小很相近。而且，锆的熔点1855ﾟC远高于镁的熔点659ﾟC。所以，在液态镁中加入很少量的锆，形成活性质点，就能大大促进镁的非自发形核.铁能促

8、进铜的非自发形核。因为在铜的结晶温度1083ﾟC之下，Y-Fe和Cu都具有面心立方晶格，而且晶