材料科学基础第5章ppt课件.ppt

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1、第五章晶体生长与晶体缺陷概述§5.1液体的性质和结构§5.2凝固的热力学条件§5.3形核过程§5.4晶体的长大§5.5铸锭的组织§5.6单晶体的凝固第五章晶体生长与晶体缺陷§5.7玻璃态与金属玻璃§5.8点缺陷§5.9线缺陷§5.10面缺陷绝大多数的金属制品，在其加工制造的最初阶段，都在熔炼后铸造，使其凝固为铸锭或铸件。铸锭和铸件的组织和性能与其凝固过程行密切的关系：本章首先介绍凝固过程的有关知识，其中将着重讨论晶核的形成以及晶体长大过程的基本理论和规律，并运用这些基本概念分析金属铸淀组织的形成过程概述实际晶体并不像第一章所讨论的那样绝对有规则的理

2、想晶体，而是存在不同形式但又有某些规则性的缺陷，这些缺对于晶体的性能和在其中进行的许多物理化学过程有重要的影响。木章接着简要介绍晶体中存在的点缺陷、绪缺陷和面缺陷及其主要特征。晶体形成的一般过程形核晶体的生长凝固体的结构§5.1晶体形成的一般过程1、凝固与结晶引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：晶体的形成形成过程。凝结－蒸发凝固－熔化凝华－升华晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。意义：

3、材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。一、概述2、凝固状态的影响因素第一节晶体形成的一般过程引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。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，

4、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。熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。§5.1液体的性质和结构金属熔化时性质的变化要比蒸发时小得多，例如溶化潜热一般仅为蒸发潜热的2.5%~5%，这说明液态金属的性质更接近固态时的性质

5、。液体的基本特征是其流动性和较低的压缩性，这说明液体个原子的排列比较致密，但不像固体那样有规则。根据热力学，一定温度下不同大小原子团的相对数目可表示为=exp（-△G/kT）（5.1）n为单位体积原子数小，为在n个原于中含有i个原子的原子团数目,△G为原子团与数目相同的单个原子的自由能差。由式(5.1)知,当△G增加时，减小。△G的来源有两个,一个与固、液相的自由能差有关,另一个是把固相与液相分开的界面能：前者在平衡温度时为零，低于熔点时为负值，高于熔点时为正值；后者永远为正值。△G可用下式表示，即△G=V△Gv/Vs+Aσ(5.2)式中，v为原子

6、团的体积,A为其表面积,△Gv为固、液相的摩尔自由能差，Vs为固相的摩尔体积，σ为单体面积界面能。已有的事实去明，接近熔点时，在1cm3体积的液体内，式(5.1)中的原子团永远不会大到可以包含数百个原子§5.1液体的性质和结构§5.1结晶的热力学条件第一节晶体形成的一般过程结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下：在恒压下，dp=0，因此其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凸向下的下降形式。二、结晶的热力学条件第一节晶体形成的一般

7、过程因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T=Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。当TTm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。三、结晶的潜热第一节晶体形成的一般过程在T=Tm时：从液体转变为固体，此时有是一放热过程，放出的这部分热量称为结晶潜热。四、结晶时的过冷现象第一节晶体形成的一般

8、过程冷却曲线：材料在冷却过程中，由于存在热容量，并且从液态变为固态还要放出结晶潜热，利用热分析装置，处在较慢的固定的散热方