金属的结晶课件.ppt

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1、第二章金属的结晶2.1结晶的基本概念2.2晶核形成规律2.3晶核长大规律2.4金属铸锭的组织与缺陷2.5结晶理论的拓展与应用2.1结晶的基本概念凝固：物质从液态转为固态的过程。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属的结晶：金属凝固时，通常是由原子不规则排列的液体向规则排列的晶体转变的过程，称为金属的结晶。1.晶核的形成与晶核长大结晶过程示意图纯铁的金相组织2.结晶的条件（1）过冷度：过冷现象-实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度之差。ΔT＝Tm－Tn结晶速度v↑，ΔT↑结论：过冷是结晶的

2、必要条件。（2）自由能：自发转变的能量条件：自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。自由能又可由下式表示：G=H-TSH-热焓S-熵值根据热力学条件：dG=VdP-SdT结晶在恒压下进行：dP=0dG=-SdT,对进行讨论：①∵S＞0∴dG/dT＜0,随温度T的升高，dG＜0说明G-T曲线为下降曲线；②∵S＞0TSSL＞SS∴随温度的升高GL-T曲线的变化率大于GS-T,两曲线在Tm处相遇GL=GS；③

3、依据热力学条件ΔG＜0时才能结晶，欲使GS-GL=ΔG＜0，必须使T＜Tm.这定性地说明了结晶必须过冷．所以：过冷是结晶的必要学条件。固、液相G-T曲线纯金属形核的热力学条件是:Tn＜Tm,GS

4、Lm、Tm均为正值）过冷度越大，结晶的驱动力越大，结晶越容易进行。（3）结构起伏：金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结合力较为接近。液态金属具有与固态金属相同的结合建和近似的原子间结合力，在熔点附近的液态金属还存在与固态金属相似的原子堆垛和配位情况。因此，从微观上看，液态金属是由许多强烈游动、紧密接触、规则排列的原子集团所组成。它们大小不一，处于时聚时散，此起彼伏的状态。这种很不稳定的现象称为“结构起伏”或“相起伏”。液态金属结构与固态相似存在“近程有序”，“

5、近程密堆”，“远程无序”.均匀的液态金属凝固过程中结晶的核心就是在结构起伏的基础上形成的，故这些结构起伏又称为“晶胚”。固态晶体的微观结构液态晶体的微观结构(相起伏)液态金属的微观结构为结构起伏-近程有序的原子集团时聚时散。结构起伏尺寸随ΔT,rmax；温度越低，结构起伏出现的几率越大。结构起伏：结晶的必要条件（之二）。2.2晶核的形成规律晶核的形成有两种方式：均匀形核和非均匀形核。均匀形核是靠自身的结构起伏和能量起伏等条件在均匀的母相中无择优位置，任意地形成核心。这种晶核由母相中的一些原子团直接形成，不受其它外界影响。非均

6、匀形核是在母相中利用自有的杂质、模壁等异质作为基底，择优形核。这种晶核受杂质等外界影响。由于非均匀形核所需能量较少，且实际中不可避免地存在杂质等，因此金属凝固时的形核主要为非均匀形核。但非均匀形核的基本原理仍是以均匀形核为基础的，因此先讨论均匀形核。1.均匀形核（1）形核时能量的变化体积自由能-是结晶的动力（负值，使△G总↓）表面自由能-是结晶的阻力（正值，使△G总↑）ΔG总=ΔG体积+ΔG表面=-ΔGVV晶核＋σS晶核©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.Thoms

7、onLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能ΔG是r的函数。（2）临界形核半径和临界形核功由的函数作图可知，在r=rk时△G取得极大值。讨论：1.当r＜rk则晶胚生长，将导致体系ΔGk，晶胚重新熔化而消失。2.若r＞rk晶胚r，体系的ΔGk,结晶自发进行，此时的晶胚就成为晶核。3.当r=rk晶胚的长大和熔化都使ΔGk，均为自发进行。因此r≥rk晶胚就成为晶核，半径为rk的晶核叫作临界晶核，rk的大小为临界晶核半径。4.当r＞r0以后，随着

8、晶核的长大，ΔGk＜0。令又因为：临界晶核半径为：由此可知:ΔT,rk，较小晶胚便可以成为晶核。形核的结构条件临界晶核半径大小rk讨论：1.ΔT＜ΔTK时，rmax＜rK晶胚自行熔化2.ΔT＞ΔTK时，rmax＞rk晶胚自发长大3.ΔT=ΔTK时，rmax=