《金属学与热处理》教学课件：第二章 纯金属的结晶.ppt

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1、第二章纯金属的结晶结晶:金属由液态转变为固态的过程叫凝固,由于凝固后的固态金属一般是晶体,所以这一转变过程也叫结晶.2.1金属结晶的现象结晶过程的宏观现象(一)过冷现象过冷度:金属的实际结晶温度Tn(熔点)与理论结晶温度Tm之差(T).T=Tm-Tn过冷度影响因素:金属的本性和纯度,冷却速度.(二)结晶潜热相变潜热:一摩尔物质从一个相转变为另一个相时,伴随着放出或吸收的热量.熔化潜热:金属熔化时,从固相转化为液相放出的热量.结晶潜热:金属结晶时,从液相转化为固相放出的热量.二.结晶过程的微观过程结晶过程:孕育期-----晶核形成------晶核长大.问题:1.液态金属能否在理论结晶温度下

2、结晶??2.过冷度在金属结晶过程中起什么作用??2.2金属结晶的热力学条件液固相的自由能差,就是转变的驱动力:热力学第二定律:在等温等压条件下,物质系统总是自发第从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变.当T

3、序排列的.远程有序:在晶体中,大范围内的原子呈有序排列.结构起伏(相起伏):在液态金属中,近程有序的原子集团处于瞬间出现,瞬间消失,此起彼伏,变换不定的状态中,仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样,这种不断变化的近程有序原子集团,叫…2.4晶核的形成一.均匀形核(均质形核或自发形核)自由能变化:既:临界晶核半径既:形核方式:均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率相同.非均匀形核:新相优先出现于液相中的某些区域.(一)形核时的能量变化G和临界晶核半径rKV:晶胚的体积;S:表面积;GV;液固两相单位体积自由能差;S:单位面积的表面能.T:过冷度;Tm理论结晶温度;Lm熔

4、化潜热.当rrK时,随晶胚尺寸增大,自由能降低,晶胚比较容易形成晶核.当r=rK时,晶胚可能消失,也可能长大形成晶核.过冷度T越大,临界形核半径rK越小.最大相起伏(晶胚)尺寸rmax越大.当T>TK时,rmax>rK,尺寸较大的晶胚能够形成晶核.(二)形核功能量起伏:在一定温度下,系统有一定的自由能,这是指宏观平均能量.但是在微区各处的能量此起彼伏,变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象,叫…形核功:形成临界晶核时,体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3,还有1/3的表面能需要另外供给,既需要对形核作功,这部分功叫

5、….形核功与过冷度的关系:过冷度增大,临界形核功显著降低,结晶过程容易进行.晶核形成=过冷液体中的相起伏+能量起伏(三)形核率形核率的影响因素:形核功;扩散.二.非均匀形核(异质形核或非自发形核)(一)临界晶核半径和形核功体系自由能变化:临界晶核半径:形核功:=0,GK’=0.不需要形核功,液体中的固体相质点就是现成的晶核,可以在上面直接结晶长大.=180o,GK’=GK.均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同.0<<180o,GK’<GK.越小,非均匀形核越容易,需要的过冷度也越小.(二)形核率1.过冷度的影响2.固体杂质结构的影响3.固体杂质形貌的影响4.过热度的影响

6、5.其他因素的影响小节:金属形核的要点液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行,液态金属的过冷度必须大于临界过冷度,晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK.前者提供形核的驱动力,后者是形核的热力学要求.2.rK值大小与晶核的表面能成正比,与过冷度成反比。过冷度越大，则rK值越小，形核率越大，但是形核屡有一个极大值。如果表面能越大，形核所需要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形核。均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏，二者都是液体本身存在的自然现象。晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。2.5晶核

7、长大一.固液界面的微观结构(一)光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。(二)粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。二.晶体长大机制(一)二维晶核长大机制(二)螺型位错长大机制(三)垂直长大机制三.固液界面前沿液体中的温度梯度(一)正温度梯度:结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失(二)负温度梯度:结晶潜热通过结晶的固相和型壁,还有液体散失四.晶体生长的界面形状---晶体形态(一)正温度梯度下结