第二章纯金属的凝固ppt课件.ppt

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1、第二章凝固与结晶1第二章凝固与结晶§1液态金属的凝固过程§2晶核的形成§3晶体的成长§4金属凝固动力学及晶粒尺寸§5凝固理论的实际应用举例§6陶瓷的凝固§7聚合物的凝固2§1液态金属的凝固过程一、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。3结晶过程的分析方法------热分析4二、金属熔液凝固时的过冷现象过冷：金属的实际开始凝

2、固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象.过冷度（ΔT）：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Tm-Tn。5三、金属凝固的热力学条件自由能随温度、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

3、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。7四、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8§2晶核的形成形核：在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核的过程形核方式有两种：A、均匀形核—液体中的“晶核”发展成一定临界大小的晶核。B、非均匀形核—依附于液体中现存的固体杂质或容器表面而形成的具有一定临界大小的晶核。9一、均匀形核（一）均匀形核的能量变化“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

4、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）。10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

5、自由能差绝对值，由于过冷到熔点以下时，自由能为负值11rrk时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。r=rk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rk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。极值点处（2）将（3）代入（2）：（4）12v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

6、形成功，简称形核功，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。13(二)均匀形核率形核率指在单位时间、单位体积母相中形成的晶核数目，设单位体积液相中存在Cn个临界晶核(数），dt时间内由液相获得原子的临界晶核所占分数为dn，于是单位体积单位时间内应形成Cn•（dn/dt）个可以稳定长大的晶核形核率N=N1N2=Cn•dn/dt形核率受两个相互矛盾的因素控制：①Cn受控于形核功因子，正比于exp(ΔG*/kT

7、),故随着过冷度增大而增大；Gk：形核功k:玻尔兹曼常数②dn/dt受控于原子扩散因子，正比于exp(ΔGA/kT),故随过冷度的增大而减少。ΔGA激活能14形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步增大而减小。15二、非均匀形核晶核优先依附在现成固体表面上形成。16一、非均匀形核的临界晶核尺寸及形核功假如晶核形状是截自半径为R圆球的球冠，截面半径为R，晶核形成时体系总的自由能变化为（1）V：晶核体积ΔGV：单位体积的固液两相自由能之差ΔGS：晶核形成时体系增加的表面能17故γ：单位面积界面能由几何学

8、知道：（3）θ：晶核与基底的接触角（4）（5）由几何学可知：球冠体积（6）18将（5）（6）代入（1）：（7）按处理均匀形核同样的方法可求出非均匀形核的临界半径和形核功不均匀形核时，临界球冠的曲率半径与均匀形核时球形晶核的半径是相等的。ΔG*不均匀=0ΔG*不均匀=ΔG*均匀ΔG*不均匀<ΔG*均匀19