第三章金属的结晶与二元合金相图ppt课件.ppt

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1、第三章金属的结晶与二元合金相图炼钢浇注炼铜1物质由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而凝固过程是相变过程。可为其它相变的研究提供基础。玻璃制品水晶2结晶过程的分析方法------热分析一金属结晶的温度与过冷现象※一金属结晶的基础知识31冷却曲线与金属结晶温度冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温T1曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的.42过冷现象（supercooling）与过冷度过冷：液态金属在理论

2、结晶温度以下开始结晶的现象。（液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象）。纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T。T=T0–T1注:过冷是凝固的必要条件过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度大。5冷却速度越大，则过冷度越大。6雾凇结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行，即凝固过程总是在一定的过冷度下进行。73金属结晶的热力学条件（1）G-T曲线a是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-Sb是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d2G/d2T=-Cp/Tc

3、液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。8自由能随温度、压力而变化:dG=VdP-SdT冶金系统中，压力可视为常数,即dP=0在交点温度（Tm）：两相自由能相等，即GL=GS平衡共存T0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△G

4、v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。12二金属的结晶(一)金属结晶的微观现象1.晶体的结晶结晶：液体-->晶体凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）2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。13t1形核t3长大形成晶粒t2形核并长大，有新的晶核形成t4液体消失，结晶结束长大速度：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。14结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原

5、子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。15均匀形核：由液体中排列规则的原子团形成晶核。非均匀形核：以液体中存在的固态杂质为核心形核。1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化“结构起伏”的尺寸，大小与温度有关，温度越低，“结构起伏”尺寸越大，当温度降到熔点以下时，这种晶坯的尺寸较大，其中的原子组成了晶态的规则排列，而其外层原子却与液体金属中不规则排列的原子相接触而构成界面。因此，当

6、过冷液体中出现晶坯时，一方面由（二）晶核的形成16于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态，使体系的自由能降低（固、液相之间的体积自由能差）；另一方面，由于晶坯构成新的表面，又会引起表面自由能的增加（单位面积表面能σ）。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化：17ΔG=VΔGV+Aσ=-（4/3）πr3ΔGV+4πr2σ(1)V、A：晶胚

7、的体积及表面面积，ΔGV：液、固两相单位体积自由能差绝对值，由于过冷到熔点以下时，自由能为负值18（2）临界晶核(2)rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。r=r*时，可能长大，也可能熔化，两种趋势都是使自由能降低的过程，将r*的晶胚称为临界晶核，只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。19极值点处(3)(4)将代入(2)临界晶核半径随过冷度增