金属及合金的结晶学习资料.ppt

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1、金属及合金的结晶平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。金属的结晶金属的结晶物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第一节结晶的基本规律一、液态金属的结构结构：长程有序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。冷却曲线结晶潜热结晶温度过

2、冷结晶潜热第一节结晶的基本规律二、、过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度To之差△T=Tm-To注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。第一节结晶的基本规律三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。形核长大形成多晶体两个过程重叠交织第二节结晶的基本条件1热力学条件（1）G-T曲线（图3－4）

3、a是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-Sb是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点。第二节结晶的基本条件1热力学条件（2）热力学条件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。c△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。第二节结晶的基本条件2结构条件（1）液态结构模型微晶无序模型拓扑无序模型（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出

4、现几率结构起伏大小第三节晶核的形成均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化△G＝V△Gv+σS=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ第三节晶核的形成1均匀形核〔2〕临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。（3〕临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk.△T≥△Tk是结晶的必要条件。第三节晶核的形成1均匀形核（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能

5、量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。第三节晶核的形成1均匀形核（5）形核率与过冷度的关系N=N1.N2由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。第三节晶核的形成2非均匀形核（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由能变化：表达式与均匀形核相同。第三节晶核的形成2非均匀形核（3）临界形核功计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b180>θ>0时,△Gk非<△G

6、k,杂质促进形核；cθ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。第三节晶核的形成2非均匀形核（4）影响非均匀形核的因素a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16）b外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）第四节晶核的长大1晶核长大的条件（1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度（3）合适的晶核表面结构。第四节晶核的长大2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金的界面）：垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合

7、物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第四节晶核的长大第四节晶核的长大第四节晶核的长大第四节晶核的长大3液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状。（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）粗糙界面：树枝状。光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。第四节晶核的长大第四节晶核的长大(1)平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的