03金属的结晶

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1、潍坊学院教案课题3纯金属的结晶课时2教学目的与要求1、目的：通过本讲次学习，使学生熟悉纯金属的结晶过程与一般规律；并对晶粒大小控制有一个基本的了解，从而为组织与性能关系有一个初步认识。2、基本要求：掌握纯金属的结晶过程和一般规律；了解晶粒大小对金属性能的影响及晶粒大小的控制；了解铸件的凝固方式及宏观组织。教学重点与难点重点是掌握纯金属的结晶过程和一般规律。难点是均匀形核过程及其热力学解释。教学过程主要内容及步骤备注主要内容：一、基本概念1、凝固与结晶。2、液态金属的结构。3、纯金属的冷却曲线与过冷现象。二、

2、纯金属的结晶过程1、形核2、长大三、晶粒大小的控制介绍工业生产上控制晶粒大小的3种方法。四、金属铸锭的宏观组织五、金属铸件的凝固方式20分钟55分钟20分钟预留5分钟进行小节与布置作业。教学过程教学组织：1、从学生感性的铸造及金属工艺学知识入手导入课程讲授。2、在具体讲课时以讲清基本概念为主线，在概念讲授的同时，很自然地完成了主要内容的讲解。因为结晶过程就包括两个基本概念：形核与长大。其它概念是铺垫性的。3、在讲晶粒大小控制时，先从结晶过程找出影响晶粒大小的因素，再介绍工业生产应用。4、本讲次图表较少，而且

3、内容较为抽象，为便于学生理解与掌握，最好不用多媒体设备而直接板书。5、作业：授课效果分析总结注：教师每次课都要写一份教案，放在该次课讲稿前面。潍坊学院机电工程学院讲稿专用纸一、结晶的基本概念1、凝固与结晶2、液态金属的结构长程无序，短程有序且存在“结构起伏”。在原子间距、配位数、原子的有序程度上与固态金属相近，而与气态金属完全不同。3、纯金属的冷却曲线与过冷现象（1）冷却曲线液态金属冷却过程中，T温度~t时间的关系曲线，表示金属的凝固过程，用热分析法绘制。T/℃T/℃Tm平台TmTΔT缓冷t/h快冷t/h（

4、2）理论结晶温度Tm纯金属在无限缓慢冷却条件下的结晶温度（平衡结晶温度）。用热力学解释：物质中能够自动向外界释放出多余的或能够对外做功的这一部分能量称为“自由能”，用G表示。同一物质的液体和固体由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如图，因此在一定温度下便出现一GΔG个平衡点，即理论结晶温度Tm。S当温度T低于Tm时，液相的G，ΔT高于固相的G，于是L相的能量向固TmT相中转移，因而液体变为固体，从而使体系的自由能下降。——这是一个自潍坊学院机电工程学院讲稿专用纸发的过程。换句话说，要使液体

5、进行结晶，就必须使其温度低于Tm，造成一定自由能差（ΔG=GL-GS），即具有一定的结晶驱动力才行。（3）过冷度ΔT=Tm-T——结晶的热力学条件（4）结晶的两个重要特征：过冷与结晶潜热的释放。（5）ΔT越大，驱动力ΔG越大，结晶越容易进行。二、纯金属的结晶过程1、形核均匀形核（均质形核）：理论上。非均匀形核（异质形核）：实际上。（1）均匀形核金属液体中存在一些与固态结构相近的小集团，称为“晶胚”，它不稳定，当达到一定ΔT后，借助于“能量起伏”和“结构起伏”，某些尺寸比较稳定的晶胚便具备了进一步长大的条件，

6、称为“晶核”形核时体系自由能的变化：①L→S，G↓；②出现L-S界面，G↑。临界形核功：只有当ΔT足够大，能够提供足以使形核进行的驱动力时，形核才能进行。这个驱动力称为临界形核功。其2/3由ΔGL-S提供，另1/3依靠能量起伏提供。（2）非均匀形核形核时依附于液态中的某些未熔颗粒而形成。金属中总存在杂质，因此实际形核都是此种方式。为什么？异质形核所需的“形核功”非常小，容易进行。2、晶核长大晶核长大即L-S界面向L中推移的过程。（1）长大机制①粗糙界面的连续长大机制：潍坊学院机电工程学院讲稿专用纸在液固界面

7、的固态一侧，有50%左右的结晶位置空着，形成几个原子层弧度的L-S界面过渡层，液体原子容易占据空位，而使L-S界面连续均匀地向L相中推进，称为“连续长大（或垂直长大）机制”②光滑界面的二维形核机制及晶体缺陷生长机制L-S界面的固态一侧较光滑，液体原子不易也没有位置上去生长。只能通过重新形核及在晶体缺陷的位置上进行长大。（2）长大方式——取决于L-S界面前沿的温度梯度。正温度梯度时，以平面方式长大。T/℃TmΔTK动态过冷度SL至L-S界面距离负温度梯度时，以树枝状方式长大。T/℃ΔTKTTmSL心部ΔT至L

8、-S界面距离在晶核开始成长时，因其内部原子规则排列的特点，其外形一般比较规则。但随着晶块的成长，晶体棱角的形成，棱角处的散热优于其它部位，因而优先得到生长，如树枝一样，先长出枝杆，再长出分枝，最后再把晶间填满。这种晶核长大方式即为“枝晶成长”。潍坊学院机电工程学院讲稿专用纸三、晶粒长大的控制晶粒长大与形核率N和长大速度v有关：N，v细化晶粒工业生产中细化晶粒的方法：1、增大ΔT冷速ΔT晶粒细化，但有限，且热应力大