第六章+材料的凝固ppt课件.ppt

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1、第六章材料的凝固一、纯金属的凝固二、固溶体的凝固三、共晶金属的凝固四、凝固材料的组织金属的结晶熔化金属的结晶基本概念凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固状态的影响因素：物质的本质、熔融液体的粘度、熔融液体的冷却速度。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。结晶是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第一节结晶的基本规律一、液态金属的结构结构：长程无序而短程

2、有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。二、、过冷现象纯金属的冷却曲线第一节结晶的基本规律二、、过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度To之差△T=Tm-To注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。影响因素：金属纯度，冷却速度金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大第一节结晶的基本规律三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶

3、进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生成和长大，直至液体全部耗尽为止。每个晶核长大至相互接触后，形成外形不规则的小晶体叫做晶粒，由多个这样的小晶粒则组成了多晶体。晶粒之间的界面即为晶界。其中由一个小晶核生成的晶粒

4、称为单晶体。一、结晶的热力学条件第二节结晶的基本条件结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下：在恒压下，dp=0，因此其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式。一、结晶的热力学条件第二节结晶的基本条件因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T=Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固

5、温度。当TTm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，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。既存在过冷度二、结晶的潜热第二节结晶的基本条件在T=Tm时：从液体转变为固体，此时有是一放热过程，放出的这部分热量称为结晶潜热。△Gv=Gs-Gl=(Hs-Hl)-T(Ss-Sl)△H=Hs-Hl=-LmSs-Sl=-Lm/Tm△Gv=－Lm△T/Tm第二节结晶的基本条件1热力学条件（2）

6、热力学条件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。c△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。2结构条件第二节结晶的基本条件2结构条件（1）液态结构模型微晶无序模型拓扑无序模型（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小实际液体结构是动态的晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过冷度越大，

7、实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。第三节晶核的形成形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界大小的新相晶核的过程。形核方式：均匀形核，非均匀形核均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面上成核的过程。（凝固形核的主要方式）均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无规则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。晶胚形成时能量的变化体积自由能△GV降低（结晶驱动力）表面自由能△GS升高（结晶阻力

8、）第三节晶核的形成1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化设晶胚为球形，半径为r，表面积为S，体积为V，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（△G）△G＝V△Gv+σS=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ△Gv=－Lm△T/Tmr＝rk时,△G最大;rrk时,晶胚成为稳定的晶核。△G＝V△Gv+σS=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ第三节晶核的形成1均匀形核〔2〕临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/