晶核的形成和成长...ppt

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1、第六章材料的凝固晶核的形成晶体的生长固溶体合金的凝固共晶合金的凝固概述制造工艺及凝固组织返回下页材料由液态到固态的转变过程称为凝固。金属及合金一般都要经过熔炼与铸造，也就是说要经过由液态转变为固态的凝固过程。金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。因此，了解有关金属和合金的结晶理论和结晶过程，不仅对控制概述上页下页铸态组织，提高金属制品的性能有重要的指导作用，而且也有助于理解金属及合金的固态相变过程。合金在极快冷速下可呈非晶态；玻璃的凝固为非晶态；热固性塑料、橡胶冷

2、凝后为非晶态；热塑性塑料有些为非晶态，有些为部分晶态。材料的凝固与气相沉积是目前制备材料的两种主要类型。上页下页●纯金属的凝固●固溶体的凝固过冷现象凝固过程平衡凝固非平衡凝固:成分过冷形核长大均匀非均匀L-S界面微观结构生产形态胞状树枝状粗糙光滑原因临界条件上页下页表面细等轴晶柱状晶中心粗等轴晶●铸锭组织●共晶合金的凝固形成形态上页下页晶体材料熔液凝固的基本规律一、液态金属的结构●固体是由许多晶粒组成的，液体则是由许多原子集团所组成。在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合受到很大的破坏。●长程无序，近

3、程范围存在着接近于晶态的原子排列情况（近程有序排列）。上页下页●浓度起伏：各原子集团之间成分的不同的现象。●能量起伏：液态金属中各原子之间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同的现象或指体系中每个微小体积所具有的能量偏离体系平均能量水平而大小不一的现象。●结构起伏：液态金属中各种结构不稳定现象。●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时聚时散，此起彼伏。上页下页二、金属过冷现象的结晶（图）热分析实验表明，纯金属实际开始结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm（理论结晶温度），这种现象称为过冷。实际结晶温度T与平衡结晶温度Tm的差Δ

4、T称为过冷度。过冷度的大小可由在一定条件下所测定的，冷却曲线来确定。当冷却到理论结晶温度Tm以下的某一温度时，，上页下页液态金属开始结晶，由于结晶潜热的释放，冷却曲线出现温度回升。当所释放的结晶潜热正好补偿系统向外界散失的热量时，结晶过程将在一恒定温度下进行，直到结晶结束，在冷却曲线上表现为一个水平段（图6–1α）。这个水平段所对应的温度就是金属的实际结晶温度T，T与Tm的差值即是金属在该冷却条件下的过冷度。上页下页过冷度的大小与金属的性质、纯度以及冷却速度有关，不同金属的过冷倾向不同，金属的纯度越高，冷却速度越大，

5、则过冷度就越大。在及其缓慢冷却条件下，水平段的温度与理论结温度相差甚小，故可把缓慢冷却曲线水平段所对应的温度看作是平衡结晶温度Tm（图6–1b）。TmTΔT温度（α）图6–1纯金属结晶的冷却曲线Tm时间时间（b）三.凝固的热力学条件驱动力液态和固态的吉布斯自由能-温度曲线上页下页表示实际晶体温度总是低于理论结晶温度，必须过冷。即上页下页返回三.过冷现象下页后退四.结晶的一般过程当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又

6、形成一些新的稳定的晶核并长大。整个结晶过程就是晶核的不断形成和不断长大、由小到大由局部到整体的发展过程。最后各晶体彼此接触。液体完全消失，形成了上页下页固态金属的晶粒组织。每一个晶核长大成为一个外形规则的晶粒，晶粒之间的界面程为晶界。（如图）因此，液态金属的结晶过程是由形核和长大两个基本过程所形成，并且这两个过程是同时进行的。液态金属结晶时所形成的晶核越多，结晶后的晶粒就越细小，反之晶粒则粗大。上页下页上页下页第一节晶核的形成一.均匀形核假设形成一球形的晶核，即合金由液态晶核为球形的固相晶核，其能量变化为：（临界晶核

7、半径）：在均一的液相中靠自身的结构起伏和能量起伏形形成新相核心的过程。上页下页返回又形核的形核功表示容易形核，临界晶核半径小上页下页晶核半径与△G之间的关系说明L-S的体积自由能差可补偿临界晶核所需表面能的2/3，而另外1/3则依靠液体中存在的能量起伏来补偿上页下页返回6-2下页二.非均匀形核依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容器壁）上形成的过程。6-56-5上页下页表面张力平衡：上页下页上页下页（2），，因此，，说明固体基底可视为现成晶核。，表明固体不起非均匀形由此可得到下列结论：上页下页的基底作用。（3）若

8、基底界面不是平面，而是一曲面，表明当θ角和临界角半径相同时，晶核的体积为在基底凹面最小，平面居中，凸面较大。可见凹面对形核的促进作用效能最高。上页下页三.形核率:单位时间单位体积中所形成的晶核数6-3上页下页上页下页形核率N为单位时间、单位体积所形成的晶核数目。对于均匀形核，形核率受两个方面的因素所控制，即获得能量起伏的几率因子N1和原子扩散因