金属学与热处理 第02章 纯金属的凝固.docx

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1、第二章纯金属的结晶第一节:概述l结晶组织直接影响到金属材料后续的加工和使用性能。l对于铸件和焊接件来说，结晶过程基本上决定了它的使用性能和使用寿命。l对于铸锭而言，结晶过程既直接影响它的轧制和锻压工艺性能，也不同程度影响其制成品的性能。l因此研究和控制结晶过程，是提高金属机械性能和工艺性能的一个重要手段。l纯金属和合金的结晶既有联系又有区别，合金的结晶更为复杂，将在下章讲解。第二节金属结晶的现象2.1结晶过程的宏观现象A.过冷现象金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度(DT)。DT=Tm－Tn过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的冷却速度有关

2、。纯度越高，过冷度越大；其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也越大。当冷却速度达到106oC/s以上时，液态金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。B、结晶潜热结晶潜热⇋环境散热→冷却平台→平台延续的过程就是结晶所需的时间。结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。2.2金属结晶的微观过程无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶过程是形核和长大的过程。熔体过冷¾孕¾育¾期®形核→晶核长大→未转变液体部分形核→晶核长大→相邻晶体互相接触→液体全部

3、转变。每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。第三节、金属结晶的条件问题：为什么金属不能在理论结晶温度结晶，而需要过冷？3.1金属结晶的热力学条件金属各相Gibbs自由能G可表示为：G=H–TS＝Ｕ＋pV－TS，H：焓，U：内能，p：压力，V：体积，T：温度，S：熵。dG＝dU＋pdV＋Vdp－TdS－SdT而dU＝TdS-pdV(热力学第一定律)因此：dG=TdS－pdV＋Vdp－TdS－SdT＝Vdp–SdT对于金属凝固过程，dp＝0因此：dG/dT=-SdG/dT=-S熵S表征系统中原子排列混乱程度的参量，S恒大于零。固相原子

4、排列有序；因此：Ss0，DHf为相变潜热，T＝Tm时，DGv=0，因此有：DHf=-TmDS，DS=-DHf/TmT

5、很小，可视为常数，因此液固两相Gibbs自由能差DGv为：DGv=-DHf-TDS=-DHf+TDHf/Tm=-DHfDT/Tm可见：T＝Tm时，过冷度DT=0，DGv=0,没有结晶驱动力，不能凝固。因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的根本原因。3.2金属结晶的结构条件液体的原子排列：①短程有序，长程无序。②短程有序集团不断出现相起伏出现和消失，处于变化之中。几率③这些瞬间出现、消失的有序集团称为结构起伏rmax或相起伏。相起伏大小rmax过冷度DT相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有在

6、过冷液体中的相起伏才能形成晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过冷5~20oC时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？以下两节的内容分别从形核和长大两个基本过程进行讨论第四节晶核的形成母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新相晶核的过程称为形核。液体金属中形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。均匀形核又称均质形核或自发形核。是指从液相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的

7、过程。均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液态绝对纯净，也不和型壁接触，液体各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。非均匀形核又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶过程主要是按非均匀形核方式进行。4.1均匀形核为什么过冷液体形核时要求晶核必须达到一定的临界尺寸？A.形核时的能量变化在一定的过冷度下，液体中若出现固态晶核，该区域的能量变化包括两个方面：1）液体结晶为固体时体积自由能的下降VDGv2）

8、新增晶核的界面能sS因此总的吉布斯自由能变化量为：DG=VDGv+sSV：晶核体积；s：界面能；S：晶核的表面积DGv：单