二、纯金属的结晶.ppt

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1、第二章纯金属的结晶2.1金属结晶的现象一、结晶过程的宏观现象8/2/20213金属学与热处理1.过冷现象金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度Tm(熔点)时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之下某一温度Tn，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差，称为过冷度。时间温度0△T图纯金属结晶时冷却曲线示意图TmTn2.结晶潜热一摩尔物质从一个相转变为另一个相时，随着放出或吸收的热量称为相变潜热。当液态金属的温度到达结晶温度时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台，平台延

2、续的时间就是结晶过程所用的时间。8/2/20214金属学与热处理二、金属结晶的微观过程即结晶过程是形核与长大的过程。结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子而长大。当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。液态金属中不断形核、不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便告结束。8/2/20215金属学与热处理2.2金属结晶的热力学

3、条件热力学第二定律（自由能最低原理）：物质的稳定状态一定是其自由能最低的状态。△G=GS-GLT>Tm，△G=GS-GL>0,液态；T=Tm，△G=GS-GL=0,两相共存；T

4、晶的结构条件图金属气态、液态和固态的原子排列示意图8/2/202110金属学与热处理液体的结构特征：液体中原子堆集是密集的，但排列不那么规则。“近程有序”：从大范围看，原子排列是不规则的，但从局部微小区域来看，原子可以偶然地在某一瞬间内出现规则的排列，然后又散开。液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏或相起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大。Rmax/nm0ΔT/℃图最大相起伏尺寸与过冷度的关系8/2/202111金属学与热处理2.

5、4晶核的形成均匀形核（自发形核）：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。非均匀形核（非自发形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。8/2/202113金属学与热处理一、均匀形核1.均匀形核时的能量变化当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为晶态的排列状态，使体系内的自由能降低ΔGv＜0，是相变的驱动力；另一方面，由

6、于晶胚构成新的表面，又会引起表面自由能的增加，这构成相变的阻力。在过冷的条件下，晶胚形成时，系统自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚与液相之间的界面引起的自由能(表面能)的增加。8/2/202114金属学与热处理8/2/202115金属学与热处理当rrk时，晶胚的长大使系统自由能下降，这样的晶胚可以长大。r=rk时，晶胚的长大趋势等于消失趋势。这样的晶胚称为临界晶胚，rc称为临界晶核半径。8/2/202116金属学与热处理ΔT/℃rk/nm0ΔT/℃r

7、max，rk/nmrmax图临界晶核半径与过冷度的关系临界晶核半径和最大晶胚尺寸与过冷度的关系ΔTk临界晶核半径随过冷度的增加而减小，而最大晶核半径随过冷度的增加而增加。ΔT<ΔTk时，rmaxΔTk时，rmax>rk，液态金属的结晶易于进行。8/2/202117金属学与热处理2.形核功形成临界晶核时自由能的变化ΔGk>0，这说明形成临界晶核是需要能量的。形成临界晶核所需的能量ΔGk称为临界形核功。8/2/202118金属学与热处理形成临界晶核时自由能的

8、变化为正值，恰好等于临界晶核表面能的1/3。形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，