第二章纯金属的结晶

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1、材料科学基础第二章纯金属的凝固第二章纯金属的结晶物质由液态到固态的转变过程称为凝固。如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。第一节金属结晶的现象图结晶示意图2.1金属结晶的现象图纯铁的冷却曲线从温度—时间曲线（冷却曲线）可见，纯金属结晶有两个宏观现象：过冷和恒温。纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。

2、Tm与Tn的差值⊿T叫做过冷度。结晶的过冷现象：2.1金属结晶的现象§2.1.1结晶过程的宏观现象不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度也不是恒定值，它将随实验条件而变。冷却速度增大，会使金属凝固时的过冷度增大。过冷是金属凝固的必要条件。金属由液体冷凝成固体时要放出凝固潜热，如果这一部分热量恰好能补偿系统向环境散失的热量，凝固将在恒温下进行。纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。2.1金属结晶的现象2.1金属结晶的现象结晶潜热相变潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。熔化潜热：金属熔化时从固相转变为液相所吸收的热量。结晶潜热：金属结晶时从液相

3、转变为固相所放出的热量。图金属气态、液态和固态的原子排列示意图§2.1.2金属结晶的微观现象2.1金属结晶的现象当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率，用N表示，单位为cm-3·s-1。单位时间内晶核增长的线长度叫做长大速度，用u表示，单位为cm·s-1。液态金属的结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。2.1金属结晶的

4、现象图金属结晶过程示意图2.1金属结晶的现象压力可视为常数，dp=0温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。结晶的热力学条件：热力学指出，金属的状态不同，则其自由能也不同。第二节金属结晶的热力学条件图吉布斯自由能随温度变化的关系T>Tm,GLGS,处于固相。液固两相的自由能差是发生相转变（L-S）的驱动力。2.2金属结晶的热力学条件2.2金属结晶的热力学条件当液相向固相转变时，单位体积自由能ΔGv的变化为：即ΔGV与ΔT呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值

5、越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。结构起伏：液态金属中的原子小集团时聚时散，时起时伏，此起彼伏，处在不断变化和运动过程中。在每一温度下出现的相起伏存在着一个极限值rmax，rmax的尺寸大小与温度有关。温度越高，则rmax尺寸越小；温度越低，rmax尺寸越大。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结晶时转变称为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽，称为晶胚。液态金属的一个重要特点是存在着相起伏，只有在过冷液体中的相起伏才能称为晶胚。第三节金属结晶的结构条件第四节晶核的形成自发形核(均匀形核)：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子

6、集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。图均匀形核图非均匀形核1.形核时的能量变化和临界晶核半径在液态金属中，时聚时散的近程有序的原子集团是形成晶核的胚芽，叫晶胚。等于或大于临界尺寸的晶胚即为晶核。在过冷条件下，晶胚形成时，系统自由能变化包括体积自由能的下降和表面能的增加。2.4晶核的形成§2.4.1均匀形核图晶胚形成时系统自由能的变化与半径的关系2.4晶核的形成r＜rk，其进一步长大将导致体系总自由能增加，因此这种晶胚不能成为

7、晶核，会重新熔化；r>rk，其进一步长大将导致体系自由能减小，因此半径大于rk的晶胚能够成为晶核；r=rk，其长大的趋势和熔化的趋势相等。把半径恰为rk的晶核称为临界晶核，而rk称为晶核的临界半径。2.4晶核的形成随着过冷度的增加，临界晶核半径减小，形核的几率增加。2.4晶核的形成2.形核功r>rk的晶核长大时，虽然可以使系统自由能下降，但形成一个临界晶核本身要引起系统自由能增加⊿Gk，说明临界晶核的形成是需要能量的。形