材料科學(xué)基礎(chǔ)課件第三章純金屬的凝固

金屬及合金的生產(chǎn)、一般都要經(jīng)過熔煉與鑄造，通過第一節(jié) §3.1.1圖(5)由X射線分析結(jié)果表明，在Tm附近的液態(tài)金屬中的 提出了準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)模型，即認(rèn)為在略高于 1965～1970年，等人提出了隨堆模型(非晶體模型)來描述液體結(jié)構(gòu)。這個模型的基本點(diǎn)是認(rèn)為液態(tài)結(jié)構(gòu)屬§3.1.2當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到 Tm以下的某一溫度開始結(jié)晶時，在液體中首先形成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱為晶核。隨后這些晶核逐漸長大，與此同時，在液態(tài)金屬中又形成一些新的穩(wěn)定的晶核并長大。這一過程一直延續(xù)到液體全部耗單位時間、單位液態(tài)金屬中形成的晶核數(shù)叫做形核率，用N表示，單位為cm-3s-1。單位時間內(nèi)晶核增長的線長度叫做長大速度，用u表示，單位為cms-1。 圖§3.2.1從溫度—時間曲線（冷卻曲線）有兩個宏觀現(xiàn)象：過冷和總比其 Tm低，這種現(xiàn)Tm與Tn的差值⊿T叫做過

圖 不同金屬的過冷傾向不同，同一種金屬的過冷度也不是恒金屬由液體冷凝成固體時要放出凝固潛熱，如果這一部分§3.2.2GHTSGS溫度升高，原子活動能力提高，因而原子排列的 自由能隨溫度變化的關(guān) GLGSGHS HLSL(HSSSHLHST(SLHLHS 為熔化潛熱，T時，GV 0 T （Tm T） TTT TTT 第三節(jié)形核規(guī)律自發(fā)形核(均勻形核)：在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團(tuán)。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程有序的原子 變得穩(wěn)定，不再 成為結(jié) 非自發(fā)形核（非均勻形核）：實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶 ，這個過程叫非

§3.3.1§3.3.1

總自由能增加，因此這種晶胚不能r>r*，其進(jìn)一步長大將導(dǎo)致體系自由能減小，因此半徑大于r*的晶r=r*，其長大的趨勢和熔化的趨把半徑恰為r*的晶核稱為臨界晶核，而r*

TVT

r>r*的晶核長大時，雖然可以使系統(tǒng)自由能下降，但形成一個臨界晶核本身要引起系統(tǒng)自由能增加⊿GCr G4 V V

1Am 3(G 3(L 3m 形成臨界晶核時，液、固兩相之間的自由能差只提供所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能所謂能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系能量起伏包括兩個含義：一是在瞬時，各微觀體積的能量不同，二是對某一微觀體積，在不同瞬時，能量分布不同。在具有高能量的微觀地區(qū)生核，可以全部補(bǔ)償由于原子的熱運(yùn)動，它們只能維持短暫的時間很快就失，同時在其它地方又會出現(xiàn)新的尺寸不等的規(guī)則排列的原 液態(tài)金屬中的規(guī)則排列的原子團(tuán)總是處于時起時伏，此起相起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。當(dāng)把金屬熔液過冷 下 （a）ΔT=ΔTkrmax=rk。。形核率受兩個互相的因素控制：一方面從熱力學(xué)考慮，過冷度愈大，晶核的臨界半徑及臨界形核功愈小，因但另一方面從動力學(xué)考慮，過冷度愈大，原子活動能力愈小，原子從液相轉(zhuǎn)移到臨界晶核上的幾率減小，不利于 圖溫度對N1、N2的影響（a）和形核率與溫度的關(guān)系 §3.3.2VrV

23coscos3 當(dāng)θ＝0時，則⊿G*非＝0當(dāng)θ＝π時，則⊿G*非＝⊿G*當(dāng)0＜θ＜π時，G*非＜⊿G*均，這便是非均勻形核的 非均勻形核時的形核率表達(dá)式與均勻形核相似。只是由于非＜⊿均非均勻形核的最大形核率小于均勻形核。其原因是非均勻不是任何固體雜質(zhì)均能作為非均勻形核的基底促進(jìn)非均勻 第四節(jié)長大規(guī)律-一旦形成后，晶核就繼續(xù)長大而形成晶粒。系統(tǒng)總自由能隨晶體體積的增加而下降是晶體長大的驅(qū)動力。晶體的長大過程可以看作是液相中原子向晶核 §3.4.1液-圖光滑界面（a）和粗糙界面（b） 界面(Smoothinterface)和粗糙界面(Roughinterface)兩種。GsT

x(1x) x x(1x)ln(1k ,a α＜2時，在x＝0.5處，界面不同α值下⊿G

§3.4.2與其液- 具有粗糙界面的物質(zhì)，液-固相界面上有大約一半的原子位置是空的，液相中的原子可隨機(jī)地添加在界面的空位置上而成為固相原子。晶體的這種生長方式稱為垂直生長機(jī) 晶體中不同生長晶面族中，原子最密排面的面距最大。在 由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強(qiáng)如果結(jié)晶過程中，在晶體表面存在著垂直于界面的螺位錯 §3.4.3(a)正溫度梯度(b)靠近模壁的液體首先過冷而凝固。而在鑄模中心的液體溫度最高，液體的熱量和結(jié)晶潛熱通過固相和模壁傳導(dǎo)而迅速散在緩慢冷卻條件下，液體內(nèi)部的溫度分布比較均勻并同時過冷到某一溫度。這時在模壁上的液體首先開始形核長大，液-固相界面上所產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱將同時通過固相和液相傳導(dǎo)1對于粗糙界面的晶體，其生長界面以垂直長大方式推進(jìn)。由于前方液體溫度高，所以生長界面只能隨前方液體的逐漸對于光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長界面以小平面臺階生 到前方溫度高于Tm的液體中去，因此，從宏觀來看液-固相界面似與Tm等溫線平行，但小平面與Tm 在正的溫度梯度下，晶體的這種生長方式稱為平面狀生長。(a)粗糙界 (b)光滑界 2晶體生長界面一旦出現(xiàn)局部凸出生長，由于前方液體具有面就不可能繼續(xù)保持平面狀而會形成許多伸向液體的結(jié)晶晶體的這種生長方式稱為樹枝狀生長。在樹枝晶生長時在負(fù)的溫度梯度下，對于粗糙界面結(jié)構(gòu)的金屬晶體，明顯 第五節(jié)§3.5.1工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒來提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)大的形核率以保證單位時間、單位體積液體中形成 Al-Mg §3.5.2下降功率法是將金屬液體注入帶水冷底板的鑄模中，然快速逐步凝固法是將金屬液澆入帶水冷底板的鑄型后，保 §3.5.3單晶硅、鍺是制造大規(guī)模集成電路的基本材料。近百種氧 目前，單晶材料已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及光通訊技

2的然后將容器從爐中緩慢尖頭首先移出爐外緩冷，

§3.5.4急冷凝固技術(shù)是設(shè)法將熔體分割成尺寸很小的部分，增大熔體的散熱面積，再進(jìn)行高強(qiáng)度冷卻，使熔體在短時間內(nèi)凝固以獲得與模鑄材料結(jié)構(gòu)、組織、性能顯著不同的新材采用急冷凝固技術(shù)可以出非晶態(tài)合金、微晶合金及準(zhǔn)晶態(tài)合金，為高技術(shù)領(lǐng)域所需的新材料的獲取開辟了一條模冷技術(shù)是將熔體分離成連續(xù)和不連續(xù)的、截面尺寸很小霧化技術(shù)是把熔體在離心力、機(jī)械力或高速流體沖擊力作表面快熱技術(shù)即通過高密度的能束如激光或高能掃表層得到快速冷卻。也可利用高能加熱金屬粉末使之 1非晶態(tài)金屬具有一系列突出的性能，如具有很高的室溫強(qiáng)由于非晶態(tài)無晶界、相界、無位錯、無成分偏析，所以有 2利用急冷技術(shù)可以獲得晶粒尺寸達(dá)微米(μm和納米(nm)的微晶結(jié)構(gòu)材料因晶粒細(xì)小、成分均勻，空