钢液凝固的基本理论.ppt

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1、金属的结晶热力学条件一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：凝固L→S的过程（由液态转变为固态的过程）结晶L→S晶的过程（由液态转变为固态的过程）“一次结晶”、“二次结晶”晶体结晶（二）理论结晶温度：凡是纯元素（金属非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为理论结晶温度。T0符号。理论上，上述温度就是液态和晶态的分界线：当T＞T0时S→L（由固态转变为液态）当T＜T0时L→S（由液态转变为固态）当T＝T0时LS（液态、固态平衡共存）（三）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（G）称为自由能。任何物体都具有释放能量，

2、降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是。“自由能差”（ΔG）T0GSΔTTnT0GLΔG＝GL－GS温度T自由能G如右图，液体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能G随温度T的变化也不同。T↑G↓；但GL↓＞GS↓，交点T0当Tn＜T0时ΔG=GL-GSL→S晶当Tn＞T0时ΔG=GS-GLS晶→L当Tn＝T0时ΔG=0S晶L可见，自由能差ΔG是靠ΔT=T0－Tn来获得的，所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。无驱动力，如平面上的球、等温的两物体说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。

3、（四）过冷度：实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差：ΔT=T0-Tn过冷度ΔT越大则ΔG越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。一般情况下，结晶潜热：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热的形式向外界释放，我们称之为“结晶潜热”。过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度ΔT保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为“”。此法

4、是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，过冷度ΔT就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的“冷却曲线”。热分析法ΔTTT0Tn纯金属结晶冷却曲线示意图（五）冷却曲线：物体在液态冷却结晶过程中所作出的τ-T曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是实际结晶温度。主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转变焓、多晶形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热变化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、固化温度等。NETZSCH404G3高温差示

5、扫描量热仪图2—2是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线的情况。曲线中各转点表示结晶的开始或终结。其中：a表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定，一直到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常倩况)的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放大于热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下进行；直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过程中进行，直到结晶终结后，温度便又更

6、快地下降。这后一种情况只能在较小体积的液体中，或在大体积液体的局部区域内进行。冷却速度越大，则过冷度越大。过冷现象：过冷是结晶的必要条件。过冷度:ΔT=T0–T1结晶热力学条件：必须具有一定的过冷度。结晶的动力学条件液体的结晶必须有核心液态金属中有许多与固态金属结构相似、体积很小的原子集团，在足够的过冷度条件下，这些原子集团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过程即为均质形核；而以金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的器壁作为形成核心的“依托”发展成为晶核的过程，称为非均质形核。由于钢液的内部含有熔点不同的杂质，因此钢液的结晶主要为非均质形核。实践证明，均质形核需要很大的过冷度，而非

7、均质形核需要的过冷度很小，只要过冷度达到20℃就能形成晶核。结晶过程的一般规律形核长大形核、长大液态金属形核长大完全结晶形核和（晶核）长大的过程动态演示：（结构条件：晶胚临界形核半径晶核）稳定存在的晶核：自发形核、非自发形核晶核的形成从液态金属中产生晶核一般有两种形式，一种是均质形核(自发形核)，另一种是异质形核非自发形核)。实际金属结晶时，大多数是以异质形核的方式进行的。A均质形核均质形核是在液相中直接产生晶核。即