金属工艺学3.ppt

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1、第二章纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为晶体金属的过程——金属生产的第一步本章目的：1.了解金属结晶过程的形核、长大。2.理解金属铸锭的组织与缺陷。3.掌握金属结晶的热力学条件和结构条件结晶概念:物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为～§1金属的结晶纯金属结晶时的热分析曲线特点：——冷却曲线(T-t)低于熔点才发生结晶存在结晶平台1金属结晶的宏观现象：(1)过冷现象金属在低于熔点的温度结晶的现象ΔT=Tm-Tn随金属的本性和纯度，以及冷取速度不同在一定范围内变化(2)结晶过程伴随潜热释放结晶

2、潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程:（1）形核从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程（2）长大晶核由小变大长成晶粒的过程——实际金属最终形成多晶体注：单个晶粒由形核→长大多个晶粒形核与长大交错重叠**当只有一个晶核时→单晶体**晶核越多，最终晶粒越细热力学：研究系统转变的方向和限度——转变的可能性热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。即ΔG=G(转变后)－G(转变前)<0时转变会自发进行§2

3、金属结晶的热力学条件G:体系自由能T:热力学温度S:熵，表征体系中原子排列混乱程度的参数纯金属恒压条件下在液态、固态时的自由能GS、GL随温度的变化如下：斜率不同的原因：S液>S固结晶时只有存在ΔT才能保证：ΔGV=GS－GL<0从而使L→S┗结晶存在过冷度ΔT的原因——存在过冷度是结晶的必要条件过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值另可推出：结晶潜热——过冷度越大，相变驱动力越大液态金属结构特点：(1)原子间距等与固态相近,与气态迥异(2)短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列——短程有

4、序晶体：长程有序结晶的实质：由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。§3金属结晶的结构条件液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏”相起伏特点：(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏;瞬时2瞬时1——又称为结构起伏。相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率均小;(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。——过冷液体中的相起伏称为晶胚液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”┗结晶的结构条件另：能量起伏条件形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏

5、②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。§4晶核的形成1均匀形核指从过冷液体中依靠稳定的原子集团自发形成晶核的过程.（1）临界晶核半径结晶驱动力：GS－GL结晶阻力：表面能假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能假设晶胚为球体，半径为r，则：ΔG=－4/3·πr3·ΔGV+4πr2·σ假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面

6、能液固两相单位体积自由能分析右图：当r>r0时，①系统的ΔG<0结晶过程可发生；——形成稳定晶核②随r↑，ΔG↓晶核长大为系统自由能降低过程；——晶核可长大r0当r0,热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：①当r0,按热力

7、学理论L→S不能发生，然而:rk：为临界晶核尺寸原因:——过冷液体中存在能量起伏,其中高能区可能使ΔG<0。r0微分,求得：rk＝2σ/ΔGV＝2σ·Tm/(ΔHf·ΔT)——临界晶核尺寸临界晶核半径与过冷度的关系：随ΔT↑，rk↓；ΔTk:晶胚→晶核——临界过冷度（2）形核功以及形核时的能量起伏现象事实上，当r＝rk时系统的ΔG>0,此时：结晶总阻力形核功：过冷液体形核时的障碍ΔGk＝1/3·(4πr2k)·σ＝1/3·Sk·σ代入球形晶胚自由能表达式可得：事实上，只要r>rk,即为稳定晶核。原

8、因：液体中除结构起伏外，还存在能量起伏故形核功可以依靠能量起伏来补偿结论：除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件形核功的影响因素：——随ΔT↑，ΔG↓↓即：增大过冷度，可显著降低形核阻力（3）形核率（N=cm-3s–1）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义:N越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。形核率控制因素:N=N1•N2N1─受形核功影响的因子；(ΔT↑,N1↑)N2─受扩散控制的因子。(ΔT↑,N2↓)┗ΔT对N的影响矛盾、复杂实际纯金属：随ΔT↑,