材料成形工艺原理 第三章液态金属的结晶过程和结晶组织ppt课件.ppt

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1、材料成形工艺原理材料成形系高文理第三章 液态金属的结晶过程和结晶组织第一节液态金属的结晶过程第二节单相合金的结晶第三节 多相合金的结晶第三章 液态金属的结晶过程和结晶组织CrystallizationProcessand StructureofLiquidMetal到目前为止，除了少数合金在超高速冷却的条件下（106～108℃/s）凝固为非晶态外，几乎所有液态金属（合金）在通常的冷却条件下都转变为晶体，即其固液转变过程为结晶过程。一次结晶（primarycrystals）过程即液态金属转变为晶体的

2、过程，其决定着铸坯凝固厚度组织，并对随后的相变产生影响。第一节结晶过程一、一次结晶的热力学条件根据Gibbs最小自由能原理，体系总是自发地趋向于使其Gibbs自由能G降低。金属能否发生结晶过程，取决于体系自由能的变化。   根据热力学理论，金属结晶时存在下列关系：式中:S——体系的熵              G——体系的自由能         E——体系的内能             P——体系的压力           T——体系的热力学温度  V——体系的体积通常情况下，金属结晶可以认

3、为是在恒压下进行的，故有：随温度降低，液态和固态金属的体积自由能都升高，升高速度取决于熵值。液态金属原子紊乱程度大，所以熵值大，故其体积自由能升高较快。在E点固液两相自由能曲线相交，即两相平衡（图3－1）。当T=T0时，GL=GS，固液两相处于平衡状态。T0即为纯金属的平衡结晶温度；当T>T0时，GLGS，结晶才可能自发进行。这时两相自由能的差值ΔGV就构成了相变（结晶）的驱动力。二、生核过程生核方式有两种：均质生核(h

4、omogeneousnucleation)和非均质生核(heterogeneousnucleation)。均质生核：在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。非均质生核：在不均匀熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行生核的过程。1、均质生核机制根据经典的相变动力学理论，金属液相原子在凝固驱动力ΔGm作用下，从高自由能GL的液态结构变为低自由能GS的固态晶体结构过程中，必须越过一个势垒ΔGd，才能使凝固过程得以实现（如图3-2所示）。而克服势垒的能量是金属原子通过金属内部温度起伏，即能量起伏来实

5、现的。晶胚（embryoniccrystals）在过冷的均匀熔体中一出现，本身就包含了晶胚内部原子引起体积自由能降低和表面原子引起表面自由能增高这一对矛盾。为了保证结晶顺利进行必须满足条件：如图3-3所示，晶胚长成稳定的晶核其临界半径(criticalradius)为：＊因为式中 L——熔化潜热(latentheatofmelting)Tm——平衡结晶温度；ΔT——过冷度；所以临界生核半径则临界生核功(criticalworkofnucleation)：因此均质生核机制必须具备以下条件：·1)过冷

6、液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。·生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此，2)晶胚需要体积达到一定尺寸才能稳定存在。·3)过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界生核功。·4）为维持生核功，需要一定的过冷度。为克服均质生核过程中的高能量障碍，所需的过冷度是很大的。过去理论预计和实验测定表明，过冷度约为金属熔点（热力学温度）的0.18～0.2倍，但是近期研究表明均质生核过冷度比这个数字还要大。即使按金属熔点的0.18～0.2倍计算，对熔点较低的纯铝来说，ΔT亦可达195℃左右。然而

7、除高速凝固等特殊技术外，实际上金属结晶时的过冷度一般只有十几摄氏度到几分之一摄氏度，远小于均质生核所需过冷度的数值。这说明了均质生核的局限性。均质生核之所以比较难以实现，是因为在实际金属的结晶过程中一般很难完全排除外来界面的影响，从而无法避免非均质生核过程的缘故。以提纯后纯度很高的液态金属为例，假定其中杂质含量只有10-8数量级，则每立方厘米的液体中仍约有1015个杂质原子。如果它们都以边长为1000个原子的立方体出现，则每立方厘米的液态金属中将有106个质点。即使以固态出现的杂质原子仅占总数的1

8、%到1‰，每立方厘米液态金属中也仍将有103~104个小质点。这些质点在生核所涉及的微观区域内将提供数量巨大的外来界面。它们不同程度地对生核过程起着“催化”作用，促使液态金属在更小的过冷度下进行均质生核，从而使得均质生核过程在一般情况下几乎无法实现。2、非均质生核机制如图3-4所示，在介稳定的液态金属L中存在着固相物质S。在S的平面衬底上形成了一个球冠状晶核C。设σLC、σLS与σCS分别为液相-晶核、液相-衬底和晶核-衬底之间的单位界面自由能，θ为晶核与衬底(matrix)之间的