第4章-纯金属的凝固.ppt

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1、2021/8/2材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience主讲教师：王亚男2021/8/2第4章纯金属的凝固Chapter4Solidificationofpuremetals4.1结晶的过冷现象4.2结晶的热力学条件4.3液态金属的结构4.4纯金属的结晶过程4.5形核规律4.6长大规律4.7凝固理论的应用小结思考题由液相至固相的转变称为凝固，凝固后的固体是晶体，又称为结晶。2021/8/2图4.2纯金属的冷却曲线Tm—理论结晶温度（熔点）Tn—实际结晶温度由图可见：开始T↓，到Tm并不结晶，而到Tn才开始结晶，结晶中放

2、出结晶潜热补偿了冷却时散失的热量，使T不变，曲线上出现“平台”，结晶完毕后，T又随τ↑而↓。4.1结晶的过冷现象2021/8/2金属的Tn总低于Tm这种现象，叫过冷现象。金属的实际结晶温度（Tn）与理论结晶温度（Tm）之差，称为过冷度，用ΔT表示。ΔT=Tm—TnΔT不是恒定不变的，它取决于：a.金属的纯度↑，ΔT↑；b.冷却速度↑，Tn↓，ΔT↑。可见，过冷是金属结晶的必要条件(不过冷就不能结晶)。2021/8/2GL，GS随T↑而↓，但GL↓>GS↓，相交，交点对应的温度就是Tm。图4.3液、固相自由能随T变化曲线4.2结晶的热力学条件2021/

3、8/2讨论:当T=Tm时，GL=GS，动态平衡，不熔化也不结晶；当T>Tm时，GLGS，S稳定，发生结晶。可见，结晶的热力学条件是：GS

4、过冷液态中的结构起伏，是固态晶核的胚芽，称为晶胚。晶胚达到一定尺寸，能稳定成长而不在消失，称为晶核。结晶的实质：就是从近程规则排列的液体变成远程规则排列的固体过程。而实现这个过程靠形核和长大两个过程交错重叠组合而完成。液态金属中处于时而形成、时而消失、不断变化的“近程规则排列”的原子集团，称为结构起伏。2021/8/24.4纯金属的结晶过程结晶：是晶体在液相中从无到有，由小变大的过程。从无到有可看作是晶体由“胚胎”到“出生”的过程，称为生核；由小变大可以看作是晶体出生后的成长过程，叫长大。结晶过程可描述如下：结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错重

5、叠组合而成的过程。2021/8/24.5形核规律结晶条件不同，会出现两种不同的形核方式：均匀形核：新相晶核是在母相中均匀生成，不受杂质粒子的影响。非均匀形核：新相优先在母相中存在的杂质处形核。实际金属的结晶多以非均匀形核为主，但研究均匀形核可以从本质上揭示形核规律，而且这种规律又适用于非均匀形核。2021/8/21.均匀形核金属晶核从过冷液相中以结构起伏为基础直接涌现自发形成，这种方式为均匀形核。（1）形核时的能量变化在过冷液态金属中以结构起伏为基础，先形成晶胚，晶胚能否形成晶核，由两方面的自由能变化所决定：1)L→S体积自由能降低：ΔGVL-S是结

6、晶的驱动力。2)S形成出现新的表面，使表面自由能增加：ΔGA是结晶的阻力。2021/8/2ΔG=πr3ΔGV+4πr2σ两者之和就是：出现一个晶胚时总的自由能变化，用ΔG表示。ΔG=ΔGVL-S+ΔGA=VΔGV+A·σΔGV—单位体积的L→S相自由能差ΔGV=GS—GL<0σ—单位面积的表面能。在一定温度下ΔGV、σ是确定值，所以设晶胚为球形，半径为r，则ΔG是r的函数:2021/8/2可见，ΔG随r的变化曲线有一最大值，用ΔG*表示。与ΔG*相对应的晶胚半径称为临界晶核半径，用r*表示。ΔG=0的晶核半径用r0表示。图4.6ΔG随r的变化曲线Δ

7、G=πr3ΔGV+4πr2σ2021/8/2分析ΔG—r曲线：1）rr*的晶胚因为长大，使ΔG↓能自发进行。所以一旦出现，不在消失，能长大成为晶核。当r>r0时，因为ΔG<0为稳定晶核。当r在r*~r0之间时，长大使ΔG↓但ΔG>0,为亚稳定晶核。2021/8/23）r=r*的晶胚长大与消失的趋势相等，这种晶胚称为临界晶核。r*为临界晶核半径。可见，在过冷液体中，不是所有的晶胚都能成

8、为稳定晶核，只有达到临界半径的晶胚才可能成为晶核。2021/8/2∵r*→ΔG*∴有（2）求r*的大小（用求