材料科学基础_单组元晶体材料的凝固

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1、第四章单组元晶体材料的凝固晶体形成的一般过程形核晶体的生长凝固体的结构第一节晶体形成的一般过程1、凝固与结晶引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶：晶体的形成形成过程。凝结－蒸发凝固－熔化凝华－升华晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影响

2、材料的性能。一、概述2、凝固状态的影响因素第一节晶体形成的一般过程引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到

3、达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。二、结晶的热力学条件第一节晶体形成的一般过程结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下：在恒压下，dp=0，因此其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式。二、结晶的热力学条件第一节晶体形成的一般过程因为液体的熵值恒大于固体

4、的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T=Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。当TTm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。三、结晶的潜热第一节晶体形成的一般过程在T=Tm时：从液体转变为固体，此时有是一放热过程，放出的这部分热量称为结晶潜热。四、结晶时的过冷现象第一节晶体形成的一般过程冷却曲线：材料在冷却过程中，由于存在热容量

5、，并且从液态变为固态还要放出结晶潜热，利用热分析装置，处在较慢的固定的散热方式，并将温度随时间变化记录下来，所得的曲线冷却曲线，纯金属的冷却曲线如图示。过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度。ΔT=Tm－T五、结晶的一般过程第一节晶体形成的一般过程温度变化规律：材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶体，继续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶，放出结晶潜热

6、，可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时，放出的热量和散热可达到平衡，这时处于固定温度，在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成，没有潜热的补充，温度将重新不断下降，直到室温。五、结晶的一般过程第一节晶体形成的一般过程组织的变化：在一定的过冷度下，在液态的熔体内首先有细小的晶体生成，这个过程称为形核。随后已形成的晶核不断的长大，同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体全部转变完毕。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。第二节形核一、自发形核在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一

7、定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为：其中ΔGV为单位体积内固液吉布斯自由能之差，V为晶体的体积，σ为界面能，A为界面的面积。一个细小的晶体出现后，是否能长大，决定于在晶体的体积增加时，其自由能是否为下降。存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核，这种方式称为自发形核。1.能量变化一、自发形核第二节形核在一定过冷度下，ΔGV为负值，而σ恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设ΔGV和σ为常数，最有利的形状为球。设球的半径为r，有：这里rc称为临界尺寸，当细小晶体