第05讲 金属的凝固(1)

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1、第二章金属的凝固第05讲131铸造、焊接以及材料表面高能束处理等都与凝固过程有关。未来材料科学的革命，可望从凝固过程的研究中找到突破口。近年来，凝固技术及理论已成为热点。本章从热力学和动力学的观点出发，阐述液态金属结晶的基本原理，并用其分析焊接接头的形成过程。2312.1.1液态金属的结晶过程1、液态金属结晶的热力学条件结晶过程自发进行必须满足固相、液相吉布斯自由能之差GS-GL=ΔG＜0，必须使T＜Tm。这定性地说明了结晶必须过冷。过冷度越大，结晶的驱动力越大。2.1纯金属的结晶图2-1液相和固相自由能与温度的关系3312.1.2晶核的形成金属结晶时的形核

2、方式：均匀(或匀质)形核：在均匀的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏等条件形成晶核；非均匀(或非匀质)形核：依附在液体中的外来固体表面形成晶核。当过冷液体中出现晶核时，一方面由于在这个区域中原子由液态转变为固态，使体系内的自由能降低，这是结晶的驱动力；另一方面，由于晶核构成新的表面而增加了表面能，这成为结晶的阻力，则生成一个晶核所引起的系统总的自由能变化为：ΔG=ΔGB+ΔGS=VΔGV+A·σ4312.1.3晶体长大形成的稳定晶核必然要长大，体系总自由能随长大过程而降低是它的驱动力。晶核长大过程是液相内原子不断向晶核表面迁移，固—液界面向液相推移的过程。从热

3、力学考虑长大过程中应该始终保持界面能的最低能态，为此要讨论液—固界面什么状态才是最低能态，这就牵涉界面能与界面结构的关系。在这个问题上具有实用价值并被人们所接受的是杰克逊模型。531一、液-固界面的微观结构粗糙界面：大多数金属和某些化合物光滑界面：无机材料和一些有机高分子材料中间过渡状态：包括类金属和半导体如Bi（铋）、Sb（锑）、Ga（镓）、Ge（锗）、Si等图2-2液-固光滑界面与粗糙界面结构示意图（a）光滑界面（b）粗糙界面631二、晶体长大机制（1）光滑界面(宏观为小平面界面)晶体：横向生长一种是二维晶核台阶生长，首先在光滑界面上生成单原子厚的二维原

4、子集团，称为二维晶核。二维晶核的生成需要一定孕育期和临界尺寸及形核功等，一旦在光滑界面上生成了二维晶核，就为液相原子的单原子迁移到晶体表面的台阶处提供了方便，图2-3(a)、(b)；图2-3光滑界面生长机制（a）界面生长的几种原子位置（b）二维晶核生长（c）螺位错生长1—自由表面生长2—台阶生长3—扭转生长731另一种是在螺旋位错在晶体表面的露头所提供的台阶，特别是扭折，为液相原子向晶体表面上迁移提供了方便，图2-10(a)、(c)。只有这样才能在生长过程中始终保持界面能最低能态的光滑界面。但二维晶核长大机制有周期性，一个二维晶核横向扩展覆盖完光滑界面后还需

5、要重新孕育生成新的二维晶核。因此它的生长是不连续的，晶体生长所需的界面前沿液体的过冷度——动态过冷度较大。831（2）粗糙界面(宏观上是平直界面或称非小平面界面)的垂直生长在晶体长大过程中力求始终保持其粗糙状态以维持其界面能最低。界面上有约一半的位置是空着的，容易随机地接纳由液相迁移到界面上的原子而不破坏界面的粗糙度。这种生长机制既不需要孕育期、临界尺寸和形核功，也能保持高密度的台阶空位。它的生长是连续的垂直生长，相界面处生长的动态过冷度也很小。这种生长机制适用于大多数金属。931三、晶体生长形态（1）正温度梯度——平面状生长液态金属在铸模中结晶时，由于模壁

6、冷却能力强，结晶潜热和冷却散热靠模子吸热和传导散热使靠近模壁的液体最先过冷而结晶。此时铸模中心部位的液体温度仍很高，必然造成界面前沿液体呈正温度梯度分布[图2-4(a)]。图2-4界面前沿液体内正温度梯度1031在这种条件下，具有粗糙界面的晶体以垂直生长方式生长，界面均匀地向前推移，整个界面保持稳定的平面状，不产生明显的局部前凸，与Tm等温线保持平行。如液-固界面是光滑的小平面界面，并都与Tm等温线呈一定角度。在以台阶的横向扩展方式生长时均不能超越Tm线，则界面由大台阶面逐步转变成小的台阶平面，不会有明显前凸，界面基本上呈平面状与Tm等温线平行（图2-5）。

7、1131图2-5正温度梯度下纯金属的界面形态（a）光滑界面（b）粗糙界面1231（2）负温度梯度——树枝状生长由于铸模冷却能力低，铸模设计不合理及浇注温度低等原因在界面前沿液体内冷却散热及结晶潜热既通过铸模又通过液相散失，造成界面前沿液体内出现负温度梯度分布，见图2-4(b)。图2-4界面前沿液体内负温度梯度1331此种情况下，晶体生长的界面不能保持稳定的平面状，一旦界面局部出现前凸就将获得更大的，生长速率便加快，即界面失稳使凸出部位更加伸入到液体深处，同时在主晶轴(一次轴)上又长出二次轴、三次轴等等，形成如图2-6所示的树枝状晶；图2-6界面前沿液相温度分

8、布与晶体生长形态（a）负温度梯度（b）树枝状生长形态