材料科学基础 第三章 凝固.ppt

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1、1第三章凝固本章要点1金属结晶的基本规律和条件2金属结晶的形核与长大3陶瓷、聚合物的凝固4凝固理论的应用2第三章凝固熔化3第三章凝固炼钢浇注炼铜4第三章凝固凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。5第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规律1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。6第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规

2、律2过冷现象supercooling（1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-T(见冷却曲线)注:过冷是凝固的必要条件(凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。7第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规律3结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表

3、示。8第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件1热力学条件（1）G-T曲线相的自由能G=H-TSH为焓，由内能决定，S为熵，由原子的排列有序度决定，温度的升高，自由能下降，是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-S液相曲线斜率大于固相：液相有序度低，则S大，相同温度下，曲线下降快，二曲线相交于一点，即材料的熔点。9第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件1热力学条件（2）热力学条件单位自由能的变化：△Gv=－Lm△T/TmLm=Gs-GL为溶化潜热，a△T=0,△Gv=0结晶处

4、于平衡状态。b△T>0,△Gv减少，结晶进行，因此：过冷是结晶的必要条件（之一）。c△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。d△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。10第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件2结构条件（1）液态结构模型微晶无序模型拓扑无序模型（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小11第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于

5、其它物质择优形成。1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化表面排列受力不对称，能量高于液态，心部原子排列规整，能量低于液态。△G＝-V△Gv+σS＝-(4/3)πr3△Gv+4πr2σ©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.12第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核(2)临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。(3

6、)临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk.△T≥△Tk是结晶的必要条件。13第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。14第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核（5）形核率与过冷度的关系N=N1(∆GK).N2(∆GA)由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷

7、度之间是呈抛物线的关系。过冷度增大，临界晶核半径和形核功减小，而表面原子扩散速度也减小。15第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由能变化：表达式与均匀形核类似。16第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（3）临界形核功计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b180>θ>0

8、时,△Gk非<△Gk,杂质促进形核；cθ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。17第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（4）影响非均匀形核的因素a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。b外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近（原子间距、密排面）。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）d物理因素：冲击、震动等2h18第四节晶核的长大第三章第四节晶核长大1晶核长大的条件（1