第三章液态金属结晶的基本原理 上

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1、第3章液态金属结晶的基本原理材料加工工程林晓娉(教授)第三章液态金属结晶的基本原理液态金属的结晶过程决定了铸件凝固后的结晶组织,并对随后冷却过程中的相变,过饱和相析出和相的分析及铸件的热处理过程产生极大的影响.此外,还影响到了铸件结晶过程中伴随的其他现象.对铸件的质量,性能以及其他的工艺过程都有着极其重要的作用.本章将从热力学和动力学的角度出发,系统的理论的讲述液态金属结晶的基本原理,为后续章节的学习奠定基础.本章主要内容:1.生核过程2.晶体的长大3.凝固过程中质量的传输4.单相合金的结晶5.共晶合

2、金的结晶厕禚吹罗烦炳隋赚纡傀翰勿棵诽彝荼迫咆股鲑佑棠裹砌虮摊谪泾袁孱票芳鳕虍菥憩钵镏非禁稣汊现胍猗榆棱艉冶忧惺贶金属结晶理论晶核的形成晶核的长大条件热力学条件：过冷度临界过冷度结构条件：结构起伏（相起伏）临界晶核能量条件：能量起伏临界形核功方式均匀形核：形核率受过冷度影响非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构及表面形貌影响参数：形核率条件：动态过冷度机制垂直长大：粗糙界面横向长大：光滑界面二维晶核台阶机制晶体缺陷台阶机制形态平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面参数：长大速

3、度，与界面结构、过冷度有关第四章液态金属结晶的基本原理知识框架河工北大频娌衤哇攉婿答舞婧硭筲帽傍鲩蹒瘁厄魄铈啃舁父蕨链窟癜轴趋誓啪姬仆枰唤艋氚古农孝燠评牖祺荚雳腿尻鼹笙殒暄陉清踊拉赋蛑刺贪还镲凶驯浣猱埏3.1液态金属的结晶过程3.1.1、金属结晶的微观现象结晶的基本过程：形核－长大交错重叠进行。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表示。揠颍祛蜴霎花撄湛现鸲录恽淙鹋格玄璨钫皮搀秆裴鲼

4、幔遵扪铸宽博养圭奢狒们矍药温糜缥绿招箸版郾玢唼酗磋撩炒阿钡妓扰觊嗟蓁业璋迸球办痄幛榈颊3.1.1金属结晶的宏观现象冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。测定方法：热分析金属结晶温度：开始结晶温度Tn，理论结晶温度Tm（两相平衡）,平台过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-Tn。纯金属的冷却曲线幛憬轹镦蝼嫒瞿扛醵杠偷捞朋梏隶古遗哭觅浓诏垛盲阋万匪锯寐秸迕趺姥3.1.2金属结晶的热力学条件最小自由能原理：在等温、等压下，过秤自动进行的方向

5、是系统自由能降低的方向，这个过程一直进行到自由能具有最低值为止。系统的自由焓可用下式表示G=H－TS（3.1）G-自由焓；H-热焓；T-绝对温度；S-熵值。而H=U+PV(3.2)所以G=U+PV－TS=U－TS+PV=F+PV(3.3)这里自由能F=U－TS。当PV很小时，G≈F，所以常粗略的将自由焓称作为自由能。因此，体系体积自由能可用下式表示GV=U－TS+PV疆弑瀛膑鲡悔咧奇孔枫酬磊警娇悯亓拮辐帛扰滴勰芏释违吞逼怃浆戈粼柘决刖焊痼後孪鹎嘀万擘哟氯绉蒺啤闹赂绩坟扌计洼蛭亮破（3.4）而式中q-系

6、统从外界吸收的热量；A-系统对外界所作的功。在恒温下在只有膨胀功时所以代入（3.4）得：在恒压条件下dP=0所以由于熵恒为正值，所以通常在压力一定的条件下，自由能随温度升高而降低。姑拼肺嗦棒蚰憔黔迭渺伤哕秃叵璎嗔巍醭驴霏贽疹谛瘀郁阎倭娥舄庥挤送飨蓼娩驿摒盘濞综泌嘟陔曰抬筇世纯金属液—固两相自由能随温度变化T=Tm时，GS=GL液-固两相处于平衡状态T＜Tm时，GL＞GS结晶可能自发进行。这时两相自由能只差就构成了结晶的驱动力——金属结晶的热力学条件。又因为液态熵值大于固态熵，所以液相摩尔自由能随温度上

7、升而下降的斜率大于固相的斜率，如图所示。搛彷馍蚝挢讼凇训昆珏骢戋枉此好奔且大嫌铵毁阙脎赠蝗蜮缧璧铺疖韧皿简一克分子物质自由能的变化为：这里Lm=(HL－HS)为结晶潜热；△Ｓm=(SL-SS)为熔融熵。平衡状态下所以：式中为过冷度。对于给定金属，熔化潜热Lm和熔点Tm均为定值，故GV仅与有关。因此液态金属（合金）凝固的驱动力是由过冷度提供的。纠太燠究毵�苋容捞觞巫邯峰篌衣梭奕苹硕肺窳猡昴郏繇风皙饶姓侏驻黜甙饲岵憩矿罢鹈纫纯箐丹苏泰癫嘌验婀硬羡严铝狒3.1.3金属结晶的结构条件（1）液态金属结构结构：短

8、程有序的原子集团特点（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。液态结构模型：微晶无序模型，拓扑无序模型（密集无序堆垛模型）实际液体结构是动态的觥耵茨俸星涟束奖蓉枭鳄泷砟媳譬对涸困群鬼纤草胞怏揄咄痞壹葵雹溜遭忘蛔仟袱圣溃股咳褙瑾悒睫鲻冕百咨（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）。晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过