材科基考點精講第6講凝固上

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)考點精講系列金屬及合金的凝固和組織主講人：高山網(wǎng)學(xué)天地主要內(nèi)容一、凝固概論二、固溶體合金凝固與組織三、系合金凝固與組織四、其他系合金凝固與組織五、鑄錠的凝固與組織六、改善鑄造金屬材料組織的方法一、凝固概論1. 凝固基本類型同分凝固：結(jié)晶出晶體與母液化學(xué)成分完全一樣。異分凝固：結(jié)晶出來的晶體與母液的化學(xué)成分不同。勻晶凝固：結(jié)晶過程中只產(chǎn)生一種晶粒，結(jié)晶后的組織由單一的均勻晶粒組成，即得到單相組織。比如同分凝固的金屬。非勻晶凝固：液體中同時或先后形成兩種或兩種以上的成分和結(jié)構(gòu)都不相同的晶粒。比如。2. 凝固過程宏觀特征（1）液體必須具有一定的過冷度（提供能量起伏）。過冷度：實際凝固溫度

2、與其之差。過冷度存在一個最小值，稱為亞穩(wěn)極限，以T*表示，當(dāng)過冷度小于這個值時，凝固幾乎不能進行。（2）凝固過程中有結(jié)晶潛熱的。3. 凝固的微觀過程凝固的過程主要是形核與長大兩部分。其中形核又有兩類：均勻形核和非均勻形核。這部分主要內(nèi)容有：均勻形核、非均勻形核、晶體長大、晶體形貌、晶體缺陷。（1）均勻形核當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶胚時，一方面由于在這個區(qū)域中原子由液態(tài)的積聚狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的排列狀態(tài)，使體系內(nèi)的能降低，這是結(jié)晶的驅(qū)動力；另一方面由于晶胚的新的表面又會引起表面能的增高，這個相變的阻力。形核過程中系統(tǒng)的能總變化是：G=GvV+S能，是界面能。其中，Gv是體積如果均勻形核形成的是球性，那么：

3、G=(4R3/3)Gv+4R2（R0）公式中，隨著R的變化G存在一最大值，對應(yīng)曲線的最高點，也就是臨界形核功。r r* 的晶胚因為一切自發(fā)過程都朝著能量降低的方向進行，r r* 的晶胚，不因為長大，使G能自發(fā)進行。所以一旦出現(xiàn)，不在大成為晶核。，能長當(dāng) r r0時，因為G 0, 為亞穩(wěn)定晶核。G=(4R3/3)Gv+4R2（R0）對R求導(dǎo)，得:G(R)=4R2Gv+8R令其等于零，則可求得：R*= -2/Gv其中Gv= -LT/Tm ，其中T為過冷度，Tm是晶潛熱。，L是結(jié)R*=2Tm/LTG*=163/3(Gv)2=163Tm2/3(LT)2G*是形成臨界晶核所需的功，過冷同時以知道臨界晶核

4、表面積：大所需形核功越小。A*=4(R*)2=162/GG*=A*/32v即：能Gv的下降只能補償2/3表可見：形成臨界晶核時，體積面能GA的上升，還有1/3的表面能必須由系統(tǒng)的能量起伏來提供。補充說明液相在每一個過冷度下都可以算出一個晶核的臨界尺寸（R*=2Tm/LT），只有當(dāng)系統(tǒng)的能量起伏使得晶胚能夠到達臨界尺寸時，晶核才可能出現(xiàn)。否則，即使存在一定的過冷度，也不會進行結(jié)晶。這就是亞穩(wěn)極限的意義。形核率與過冷度之間的關(guān)系：當(dāng)過冷度增大時，臨界尺寸下降，形核變得更加容易，形核率上升；當(dāng)過冷度下降到一定水平時，溫度太低導(dǎo)致原子遷移降。，又導(dǎo)致了形核率下（2）非均勻形核當(dāng)晶核不是完全在液體自身內(nèi)

5、產(chǎn)生，而是借助于外來物質(zhì)的幫助，依附在已存在于也相中的固態(tài)現(xiàn)成界面上，或容器表面上優(yōu)先產(chǎn)生時，稱為非均勻形核。非均勻形核的臨界形核半徑與均勻形核的完全一致。但是非均勻形核所需的功遠小于均勻形核，因為非均勻性和的界面能相對均勻形核降低了。 2 LC2 LCTmHm Tr*GV1G (2 3cos cos ) G f ( )G3hehoho4均勻形核與非均勻形核的比較（3）晶體長大成長條件：液相不斷向晶體擴算，供應(yīng)原子；晶體表面不斷牢靠的吸收、接納原子。A、固液界面結(jié)構(gòu)引入Jackson因子，當(dāng)2時，界面為粗糙界面，當(dāng)2時，界面是平滑型，當(dāng)2，但相差不大時，為過渡型界面。粗糙界面：界面固相一側(cè)的點

6、陣位置只有約50%被固相原子所占據(jù)，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)。光滑界面：界面固相一側(cè)的點陣位置幾乎全部為固相原子所占滿，只留下少數(shù)空位或臺階，從而形成整體上平整光滑的界面結(jié)構(gòu)。實驗表明：大多數(shù)金屬及其固溶體的固液界面是粗糙型；非金屬以及一些金屬間化合物多為平滑型或過渡型。B、晶體成長機理連續(xù)長大：粗糙面的界面結(jié)構(gòu),許多位置均可為原子著落，液相擴散來的原子很容易被接納與晶體連接起來。由前面討, 生長過程中仍可維持粗糙面的界面結(jié)構(gòu)。論的熱力學(xué)只要原子沉積供應(yīng)不成問題，可以不斷地進行“連續(xù)長大”。其生長方向為界面的法線方向，即垂直于界面生長。借臺階側(cè)向擴展成長光滑界面在原子尺度界面是光滑的，

7、單個原子與晶面的結(jié)合較弱，容易脫離。只有依靠在界面上出現(xiàn)臺階，然后從液相擴散來的原子沉積在臺階邊緣，依靠臺階向側(cè)面長大。故又稱“側(cè)面長大”。二維晶核式成長當(dāng)晶體界面既無臺階也無缺陷，形成了理想的平面時，單獨的液相原子很難停留在平面上。只能依靠系統(tǒng)能量起伏，使一定量的原子差不多同時落在平滑界面上的一個原子平面，同時也產(chǎn)生了臺階。借晶體缺陷成長位置，形成晶體中存在各種缺陷，它們會促進晶體生長。例如螺位錯形成的臺階。（4）晶體形貌晶體的形貌可以分為具有規(guī)則外形的晶體（具有平滑界面的物質(zhì)）和不具有規(guī)則外形的晶體（大部分是金屬晶體）；其中每一類又可以分為等軸晶、柱狀晶、樹枝狀晶等。影響晶體形貌的多種多樣

8、，但有兩樣起到了決定性：結(jié)晶物質(zhì)內(nèi)在特性；溫度場。單純考慮結(jié)晶物質(zhì)本身特性時，對于具有平滑固液界面的物質(zhì)，他們一般形成具有規(guī)則幾何外形的晶體。若沒有其他影響，大多可以成長為以密集晶面為外表面的規(guī)則晶體。對于具有粗糙型固液界面的物質(zhì)，其各向異性較弱，所以大多無規(guī)則的幾何外形，這時晶粒的形貌主要受溫度場的控制。單純考慮溫度場時：正溫度梯度下：2的物質(zhì)微觀上平滑，但整體上晶體面取向不同，成長速度不同，形成規(guī)則的幾何狀；2的物質(zhì)晶體界面雖然可能是粗糙的，但是從整體來看確實大致形成了一個與散熱方向垂直的平面。易于成長為任意形的晶粒。負溫度梯度下：2的物質(zhì)易形成樹枝晶，因為不平整的微觀界面一旦形成凸出就很

9、容易在該方向上快速生長。2但大的不多的情況下仍然可能形成樹枝晶，若遠大于2，仍會形成規(guī)則的晶體，或具有小晶面的樹枝晶。正溫度梯度下界面生長的形態(tài)突起的生長將受阻；光滑界面生長出具有 與等溫面有一定交角的臺階面特定晶面；粗糙界面生長與等溫面平行一刀切；晶體生長為平面狀推移。負溫度梯度下界面的生長形態(tài)突起處于更大的過冷度下，生長優(yōu)先，表現(xiàn)出生長的分支樹枝狀生長；粗糙界面的金屬將生長得到樹枝狀晶體；光滑界面樹枝狀生長的傾向不明顯（光滑界面的樹枝狀結(jié)晶仍帶有小平面生長的特點）。胞狀界面：一種介于平面和樹枝狀之間的晶體界面。當(dāng)結(jié)晶前沿只有不大的過冷度，界面只能局部稍稍凸出，但不能縱深發(fā)展的情況下出現(xiàn)。當(dāng)金屬中含有雜質(zhì)時，正溫度梯度條件下也會出現(xiàn)胞狀界面，雜質(zhì)多富集在凹槽內(nèi)。樹枝晶：在其他條件相同下，異分結(jié)晶更有利于發(fā)展樹枝狀晶。因此樹枝晶具有重要的實際意義。各級支晶發(fā)展、壯大一直到它們嚴密合縫對接起來，便形成了一個只是其外部具有枝狀輪廓的晶粒，看不出支晶痕跡。（5）晶體缺陷空位：凝固過程中本應(yīng)由液