金属学与热处理2012-2013-第3章 纯金属的结晶

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1、1/63第3章纯金属的结晶材料科学与工程学院侯清宇本科生课程金属学与热处理2/63教学回顾：第2章讲述了金属与合金的结构。包括纯金属的晶体结构与晶体缺陷、合金相的结构等。材料的结构不同，性能也不同。金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。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。与第2章类似，本章（第3章）先讲述纯金属的结晶。对于合金的结晶则在第4

2、章中进行讲述。3/63教学要求：1、掌握纯金属结晶条件及过程，结晶的基本规律；2、掌握细化铸态金属晶粒的措施及方法。重点：金属结晶时的条件、晶核形成与长大；细化铸态金属晶粒的措施及方法。难点：晶核形成与长大机制。学时：共4学时。4/63§3.1纯金属结晶的基本条件与过程一、金属结晶的结构条件气态原液态金属的结构特点：结子分布构与固态金属近似；液态金属原子仍保持一定的键合；存在液态原固态原子分布子分布无数微小的有序排列的近程有序的原子集团；近程有序的原子集团尺寸不同，取向各异，瞬时形成，又瞬时消失，时聚时散，形成结构（相）起伏。

3、5/63金属的结晶：液态金属转变为金属晶体的过程。金属结晶的实质：由不稳定的具有近程有序排列原子集团的液态结构转变为稳定的长（远）程有序的晶体结构的过程。近程有序结构长程有序结构结晶纯金属结晶的结构条件：液态金属结构起伏存在结构(相)起伏：一定能结晶吗？6/63二、金属结晶的过冷现象(一)纯金属结晶的热分析曲线：时间t-温度曲线T理论结晶温度实际结晶温度(二)冷却曲线的宏观特征之一：存在过冷和过冷度1、过冷：金属的实际结晶温度低于理论结晶温度（熔点）的现象。2、过冷度：金属的理论结晶温度T与实际结晶温度T之mn差。△T=T

4、-T>0——过冷度不恒定。mn7/63**金属不同，过冷度的大小也不同。**金属的纯度越高，过冷度越大。**对于一定纯度的金属而言，冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。(三)冷却曲线的宏观特征之二：存在结晶潜热和平台结晶过程伴随潜热释放，冷却曲线上出现平台。结晶潜热：液相结晶为固相时所释放的热量。8/63结晶潜热⇋环境散热→冷却平台→平台延续的过程就是结晶所需的时间。结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。金属为什么不能在理论结晶温度结晶，而需要一定的过冷度？涉

5、及到结晶的热力学条件。9/63三、金属结晶的热力学条件：存在过冷度热力学：主要研究系统转变的方向和限度。┕转变的可能性液态金属冷却到一定温度以下时，其结晶是自发进行的过程，必须满足一定的热力学条件。热力学第二定律指出，在等温等压情况下，自发过程的变化总是从高自由能状态向低自由能状态转变。即ΔG=G(转变后)-G(转变前)<0，转变自发进行。——最小自由能原理。10/63dGdGVdpSdT()＝－SdTp熵S表征系统中原子排列混乱程度的参量，S恒大于零。固相原子排列有序；因此：Ss

6、L│11/63(一)液态金属结晶时的自由能变化图析dG()＝－SdTpG1、液相和固相自由能都随温度的升结晶熔化高而降低。△G2、由于S>S，G随T↑而下降的速液固L率大于G，在G-T曲线上存在交点，自由能STm-理论结晶温度。GS(1)T=Tm，G=G，两相共存SLGL△T(2)T＞Tm，G＞G，固变液SL(3)T＜Tm，G＜G，液变固SLTTTnm温度(4)只有当T＜Tm，存在ΔT时结晶才液相和固相自由能随温度变化示意图能进行：即ΔG=G－G＜0。VSL自由能之差为结晶驱动力，是结晶的热力学条件┙┕满足热力学条件，必须过冷。

7、12/63(二)转变驱动力ΔG与过冷度ΔT的关系V根据公式GHTSGGG(HTS)(HTS)(HH)TS(S)VsLssLLSLSLHHL△Gv<0，自恒压下结晶潜热LmSLm：Lm>0发结晶，需△T>0，存在过冷度。LTS()STS理论结晶温度Tm下，△GV=0mmSLmGLT(L/T)L(1TT/)LTT/△G与过冷度ΔT关系VmmmmmmmV结晶时必须过冷的根本原因是液态金属结晶需要驱动力┙过冷度越大，相变驱动力越大，结晶速度越快┙液态金属结晶的基本条件：

8、液态金属中存在结构（相）起伏和过冷度。13/63四、纯金属结晶的一般过程金属结晶的微观过程：包括晶体核心的形成（形核）和晶核长大的过程。液态金属形核晶核长大完全结晶每个成长的晶核最终都形成一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。14/63孕育期液态金属过冷