第二章 材料凝固理论x.ppt

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1、第二章材料凝固理论主要内容：材料凝固概述凝固的热力学基础形核生长溶质再分配共晶合金的凝固金属及合金的凝固方式凝固成形的应用9/17/2021凝固过程中材料的物理性质与晶体结构将产生巨大的变化:具体体现在：体积改变外形改变熵值改变产生凝固潜热晶体结构改变溶质再分配第一节材料凝固概述9/17/2021大多数材料在经历液－固转变时，其体积将缩小3－5％，原子的平均间距减小1－1.7％，导致形成收缩和变形缺陷的主要原因。体积改变凝固后体积减小导致产生收缩缺陷9/17/2021材料发生液－固转变后，其外形将保持容器的形状，这就是铸造－古老而

2、又年轻的工艺手段。外形改变熵值改变表示一个体系的紊乱程度，熵值越大，体系越紊乱。当材料发生液－固转变时，熵值将减小，说明固体比液体的结构更“整齐”。9/17/2021亚共晶灰铸铁冷却曲线产生凝固潜热由于固体原子结合键的建立产生了凝固潜热9/17/20211500℃时液态金属原子的状态晶体结构改变1200℃时液态金属原子的状态凝固后金属原子的状态原子排列从液态的“近程有序-远程无序”到固态的“远程有序”。9/17/2021发生溶质再分配K0<1相图一角凝固过程的溶质再分配凝固方向9/17/2021第二节凝固的热力学基础一、状态函数的

3、概念热力学函数与状态函数材料凝固过程可以用热力学原理来描述。热力学可用于判断一个过程是否可能发生以及发生的程度如何。状态函数是热力学函数的一种，其转变过程于路径无关，而只与体系状态所处的状态有关。9/17/2021容器内气体压力做体积功的示意—做功大小与过程有关9/17/2021第二节凝固的热力学基础一、状态函数的概念热力学函数与状态函数内能U焓H熵S材料凝固过程可以用热力学原理来描述。热力学可用于判断一个过程是否可能发生以及发生的程度如何。9/17/2021二、状态函数间的关系－体系的吉布斯（Gibbs）自由能－热焓，体系等压过

4、程中热量的变化－热量和温度的熵值，反映体系紊乱程度－体系的体积－体系的温度－体系的压力－等压热容PVSHG9/17/2021三、自发过程判据一：自由能最低原理：等温等容条件下体系的自由能永不增大；自发过程的方向力图减低体系的自由能，平衡的标志是体系的自由能为极小。判据二：Gibbs自由能判据(自由焓判据）：等温等压条件下，一个只做体积功的体系，其自由能永不增大；自发过程的方向是使体系自由能降低，当自由能降到极小值时，体系达到平衡。判据运用自发过程判据可以判别一个凝固过程能否自发进行，从而进一步了解凝固的形核与生长得以开展的热力学条

5、件。9/17/2021四、界面张力9/17/2021界面张力形成示意图四、界面张力表层原子受力平衡被打破，导致产生向下运动倾向9/17/2021互相接触的两物体会形成分界面，分界面上原子受力不平衡，合力则指向物体内部，从而使接触面产生自动缩小的趋势。液－气界面原子受力作用示意液-气界面9/17/2021可以这样理解界面张力：不同物体接触的界面如同一张具有弹性的膜，该膜总是力图使界面的面积减小。从能量角度：b简单的薄膜拉伸试验因此，界面张力又可以看作是:单位面积界面所具有的能量9/17/2021根据力的平衡原理：当一个液滴落在一个固

6、体表面时，在气、固、液三相交界处出现三类界面张力----固气、液固和液气。固体表面的液滴及表面张力的示意杨氏方程，接触角于界面张力的关系9/17/2021一、凝固的热力学条件等压条件下有：又：1.温度升高自由能下降，降速取决于熵值大小；2.液相的熵值大，因此较固相下降的快。自由能-温度曲线呈上凸型第三节形核材料的凝固过程可分为两类：没有固定的凝固温度—高分子、非晶；有固定的凝固温度且放出凝固潜热—金属晶体。9/17/2021纯金属液、固两相自由能随温度的变化示意图金属液-固两相自由能随温度的变化规律：1.温度升高自由能下降，降速取

7、决于熵值大小；2.液相的熵值大，因此较固相下降的快；3.自由能-温度曲线呈上凸型9/17/2021在熔点（Tm）附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有：金属凝固的驱动力主要取决于过冷度△T，过冷度越大，凝固的驱动力就越大。金属不可能在T＝Tm时凝固。9/17/2021二、自发形核1、经典相变动力学理论根据经典相变动力学理论，液相原子在凝固驱动力△Gm作用下，从高自由能GL的液态结构转变为低自由能GS的固态晶体结构过程中，必须越过一个能垒△Gd才能使凝固过程得以实现。形核分为两类，一类为自发形核，它是指:在没有任何外来界

8、面的均匀熔体中的形核过程。9/17/2021整个液相的凝固过程，就是原子在相变驱动力△Gm驱使下，不断借助能量起伏以克服能垒△Gd，并通过形核和长大的方式而实现的转变过程。△Gd？?GdGLGS0原子位置a△Gd△Gm凝固过程的吉布斯自由能的变化9