第二章 材料的凝固ppt课件.ppt

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1、第二章材料的凝固MaterialConcretion材料由液态转变为固态的过程称为凝固，由于材料通常在固态下使用，所以凝固常常作为材料制备的基本手段。如果凝固后得到晶体，这种凝固过程就称为结晶。如果凝固为非晶体则叫做固体。非晶体的凝固可以看作是粘滞系数连续加大的过程一、液态金属的结构1.模型a.微晶无序模型（准晶体模型）b.随机密堆模型2结构起伏（相起伏）不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。第一节金属的结晶过程MetalCrystallization二

2、、结晶过程的分析方法------热分析所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。三、结晶过程的宏观现象过冷现象:金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象.结晶潜热金属结晶时从液相转变为固相放出的热量称为结晶潜热。冷却曲线：表示液体金属的冷却温度和时间的对应关系。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。ΔT=Tm-Tn。时间温度ΔTTmTn纯金属结晶时的冷却曲线示意图四、金属的凝固过程------形核，长大t1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，结晶结束第二节金属的结晶理论MetalCrystallographyTheory一、

3、金属结晶的过程1.晶核的生成(形核）：均匀形核；不均匀形核2.晶核的长大（长大）：树枝状长大，等轴状长大二、金属结晶的热力学条件TT0温度T自由能GΔG=ΔGS-ΔGL<0GS液相和固相自由能随温度变化示意图GL自由能随温度、压力而变化:dG=VdP-SdT其中，V：体积，P：压力冶金系统中，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T

4、ΔT呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。三、金属结晶的结构条件液态金属的结构长程无序，短程有序，结构起伏短程有序的原子集团是形核的结构条件。界面自由能体积自由能ΔG晶胚晶核rKr0rΔGK晶核半径与ΔG的关系“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，当过冷液体中出现晶坯时，一方面由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

5、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）。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：ΔG=VΔGV+Aσ=-（4/3）πr3ΔGV+4πr2σV、A：晶胚的体积及表面面积，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

6、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。极值点处（2）将（3）代入（2）：（4）v临界晶核半径随过冷度增大而减小。将（2（3)（4）代入（1）式：(5)称为临界晶核形成功，简称形核功，即形成临界晶核时要有值的自由能增加，与ΔT2成反比。将（4）式代入(6)（6）式表明，当r=r*时，临界晶核形成时的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是过冷液体金属开始形核时的主要障碍。形核功来自何方？在没有外部供给能量的条件下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给四、长大晶核的长大需要两个条件：首先要求液相能不断地向晶体

7、表面扩散供应原子，使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能力，温度足够高。另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子，这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加，即在一定的过冷度下进行。因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、界面附近的温度梯度等条件有关。五、晶粒大小的控制晶体中晶粒的大小，对金属性能有很大的影响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械性能越好。1．晶粒度的概念指实际金属结晶后组成金属的晶粒尺寸。对性能有明显影响。由形核率（N）和长大速率（G）决定。N/G越大，晶粒越小。2．晶粒度的控制a：提高过