华科工程材料学 第03章 材料的凝固与相图.ppt

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1、1第三章材料的凝固与相图概述纯金属的结晶合金的相结构二元合金相图2第一节概述一、凝固与结晶引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：晶体的形成过程。凝结－蒸发凝固－熔化凝华－升华晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响材料的性能。3第二节纯金属的结晶冷却曲

2、线：材料在冷却过程中，由于存在热容量，并且从液态变为固态还要放出结晶潜热，利用热分析装置，处在较慢的固定的散热方式，并将温度随时间变化记录下来，所得的曲线冷却曲线，纯金属的冷却曲线如图示。一、结晶时的过冷现象4一、结晶时的过冷现象过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态。液态金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷。一、结晶时的过冷现象过冷度：为了表述材料过冷的程度，将实际结晶温度Tn与理论结晶温度T0之差称为过冷度。ΔT=T0－Tn纯金属恒温结晶：因结晶潜热的释放，补偿了散热引起的温度下

3、降，故结晶时温度恒定，待结晶完毕后，温度才继续下降。5水雪61、能量条件吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式，并且液体的曲线下降的趋势更陡。两曲线相交处的温度T0，当温度T=T0时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称T0为临界点，也就是理论凝固温度。当TT0时，从固体向液体自发转变，发生熔化过程。所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。二、结晶的条件第二节纯金属的结晶71、能量条件T＝T0－Tn，过冷度过冷是结晶的必要条件，●液态金属只有在过冷状态才有结晶的驱动力。●冷却速度越大，过冷度就越大，结晶

4、的驱动力也越大。●实际金属结晶时的过冷度一般只有几摄氏度。二、结晶的条件第二节纯金属的结晶ΔGG8二、结晶的条件第二节纯金属的结晶液态金属：金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称为短程有序。这种短程有序的原子集团是不稳定的，时聚时散。固态金属：属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫长程有序。金属结晶的实质是使具有短程有序排列的液态金属转变成长程有序排列的固态金属。液态金属短程有序原子集团成为结晶核心——结构条件。从本质上讲，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变叫金属的结晶。金属从液态过渡到固体晶态的转变称为一次结晶。金属从一

5、种固态过渡到另一种固体晶态的转变，称为二次结晶。2、结构条件9三、结晶的过程第二节纯金属的结晶金属的结晶包括两个基本过程：晶核形成与晶核长大，即形核与长大。1.形核液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核（即液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心），不再融化，结晶开始。过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。10晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。11三、结晶的过程第二节纯金属的结晶

6、2.形核的两种方式(1)自发形核在液态金属内发生，各区域形核的几率基本一致。(2)非自发形核液态金属内往往存在未熔杂质的质点，晶核则依附于其表面形成，使形核率提高，加快形核速度。晶核与未熔质点的晶体结构越相似，则形核速度越快，形核率越高。当晶核与未熔质点的晶体结构完全一致时，未熔质点就是晶核，此时形核率最高。非自发形核比自发形核的能量要求低，更易于形核，是实际工程材料凝固结晶中的主要形核方式。12均匀形核非均匀形核形核的两种方式13三、结晶的过程第二节纯金属的结晶形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。无论是自发还是非自发形核，冷却速度愈大，形核率

7、愈高；同样冷却速度下，非自发形核的形核率比自发形核高得多，人为地向液体中加入有效的固体微粒（变质处理）来提高形核率是工程中常用的方法。14三、结晶的过程第二节纯金属的结晶晶体的长大有两种方式:(1)平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。2、晶核的长大15三、结晶的过程新的晶