材料科学基础第三章凝固与结晶

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1、第三章凝固凝固：物质从液态到固态的转变过程。结晶：凝固后的物质为晶体的过程。凝固后是否形成晶体，主要由液态物质的黏度和冷却速度决定。1第一节金属结晶的基本规律一金属结晶的微观现象金属的结晶是形核与长大的过程，而且两者交错重叠进行。结晶终止获得多晶粒的组织，其中一个晶粒是由一颗晶核形成的。金属结晶基本过程2二金属结晶的宏观现象1冷却曲线与金属结晶温度在冷却过程中每隔一定时间记录一次温度，最后将实验结果绘制成温度--时间曲线，这条曲线称为冷却曲线，这种测定冷却曲线的方法称为热分析法。热分析法测量冷却曲线3纯金属的冷却曲线理论温度Tm（即金属的熔点），温度Tn称为金属的实际开始结晶温度。

2、42过冷——supercooling(1)过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。(2)过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-T金属愈纯，过冷度愈大；冷却速度愈快，过冷度也愈大。过冷是金属的必要条件。5由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。82热力学条件热力学条件：△Gv=－Lm△T/Tm△T>0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。△T越大,△Gv越小－过冷度越大,越有利于结晶。△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。9二结构条件1）液态结构模型微晶无序模型拓扑无序模型102）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集

3、团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。液体金属中不同尺寸的短程规则结构出现的几率11最大晶坯尺寸和过冷度的关系12第三节晶核的形成均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。一、均匀形核1晶胚形成时的能量变化△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ13晶胚成核的基本规律：①当晶胚较小时，总的自由能随着晶胚半径的增大而增加，晶胚不能长大。②晶胚尺寸超过半径rK时，晶胚稳定，可以长大。2临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。143临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度

4、：形成临界晶核时的过冷度。△Tk.△T≥△Tk是结晶的必要条件。154形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。16临界形核功的大小恰好等于形成临界晶核时表面能的1/3。形成临界晶核时，还有1/3的表面自由能必须从“能量起伏”中获得175形核率与过冷度的关系N=N1.N2由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。有效过冷度：当温度降至形核率骤然增加时的过冷度称。1819二非均匀形核1模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。2自

5、由能变化：表达式与均匀形核类似。总的自由能变化非均匀形核示意图203临界形核功计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/421a.θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b.180>θ>0时,△Gk非<△Gk,杂质促进形核；c.θ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。224影响非均匀形核的因素a过冷度:(N-△T曲线有一下降过程）。非均匀形核的形核功小于均匀形核的形核功，需要的能量起伏比均匀形核小得多——其凝固所需要的过冷度远低于均匀形核时所需的过冷度。23b外来物

6、质表面结构θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。24d物理因素的影响液相宏观流动会增加形核率；施加强电场或强磁场也能增加形核率——晶核的机械增殖。25第四节晶核的长大晶体长大：液体原子迁移晶体表面，液-固界面向液体中推移的过程26一、晶核长大的条件1动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）液-固界面要继续向液体中移动，就必须在液-固界面前沿液体中有一定的过冷，这种过冷度称为动态过冷度TK。272足够的温度3合适的晶核表面结构二、液固界面微结构与晶体长大机制1粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界

7、面）：垂直长大。2光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。28293液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：垂直长大。30光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。台阶生长机制31依靠晶体缺陷的长大32晶体长大速率与过冷度334液体中温度梯度与晶体的长大形态1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙