第六章純晶體的凝固課件

第六章純晶體的凝固THESOLIDIFICATIONOFMATERIALS液態(tài)結(jié)構(gòu)與晶體凝固的條件材料凝固時晶體的形核材料凝固時晶體的生長及長大形態(tài)凝固理論的應(yīng)用舉例相——

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。凝固晶體：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，稱為結(jié)晶非晶體：材料在凝固過程中逐漸變硬結(jié)構(gòu)相同，性質(zhì)相同，聚集狀態(tài)相同的均勻體相變——相與相之間的轉(zhuǎn)變

第一節(jié)液態(tài)結(jié)構(gòu)與晶體凝固的條件液態(tài)金屬的特征結(jié)晶的微觀現(xiàn)象結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的基本條件一、液態(tài)金屬的特征短程有序，長程無序——游動的原子團1.結(jié)構(gòu)與性質(zhì)這種短程有序原子團稱為晶胚。此消彼長，時聚時散結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏能量差異大，且不斷變化體積大：原子間距大1~1.5%，體積膨脹3~5%原子混亂度大——熵值大鍵合性質(zhì)相似，僅配位數(shù)小擴散系數(shù)大原子振動能量大，頻率高

1.結(jié)構(gòu)與性質(zhì)與固體相比2.結(jié)構(gòu)特點1）熱運動激烈，能量差異大，且不斷變化，能量不均勻——能量起伏2）原子團時聚時散，時大時小，此起彼伏——結(jié)構(gòu)起伏二、金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象形核——長大

三、金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象1.冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度2.過冷現(xiàn)象與過冷度現(xiàn)象：Tm>Tn過冷度：ΔT=Tm-T形核過冷度：ΔT=Tm-T形核動態(tài)過冷度：ΔT=Tm-T長大四、金屬結(jié)晶的基本條件熱力學(xué)條件：可能性動力學(xué)條件：路徑、速度、方式1.結(jié)晶的基本條件液態(tài)和固態(tài)的吉布斯自由能-溫度曲線結(jié)晶轉(zhuǎn)變的必要條件：結(jié)晶只有在Tm以下的實際結(jié)晶溫度下才能進行，叫過冷2.熱力學(xué)條件證明方法一證明方法二3.結(jié)構(gòu)條件液體（無序）→晶態(tài)固體（有序）突變方式

整體突變：所有原子同時重新排列——難度極大（不可能）

局部突變：部分原子重排——容易3.某時某處形成晶胚——結(jié)構(gòu)起伏4.能量條件液態(tài)金屬晶胚（不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸）能量需求不同能量起伏形核功結(jié)晶的基本條件熱力學(xué)條件：驅(qū)動力→獲得驅(qū)動力的溫度條件結(jié)構(gòu)條件：晶核→晶胚成為晶核且自發(fā)長大的尺寸問題能量條件：形核功→晶胚成為晶核且自發(fā)長大的能量問題小結(jié)：液體客觀存在第二節(jié)材料結(jié)晶時晶核的形成THEFORMATIONOFNUCLEUSASMATERIALSCRYSTALLIZING均勻形核非均勻形核一、均勻形核1.晶胚形成時的自由能變化2.臨界晶核半徑rk3.臨界形核功ΔGk液/固兩相體積自由能差可補償表面能的2/3，另外1/3靠系統(tǒng)自身存在的能量起伏補足。小結(jié)：4.形核率通常情況下，金屬的結(jié)晶在達到某一過冷度（約為0.2TmK）時（有效形核過冷度ΔT*），形核率N急劇上升。例題：已知銅的熔點為1356K，過冷度為236K，熔化熱為1628×106J/m3，比表面能177×103J/m2，晶胞參數(shù)3.615×10-10m，求臨界晶核中的銅原子數(shù)。解：臨界晶核半徑臨界晶核體積銅的晶胞體積臨界晶核中銅晶胞的數(shù)量臨界晶核中銅原子的數(shù)量：173×4=692說明均勻形核實際上非常困難二、非均勻形核1.數(shù)學(xué)分析2.原因3.非均勻形核率第三節(jié)材料結(jié)晶時晶核的長大晶體長大的條件液/固界面的構(gòu)造晶體長大機制晶體長大形態(tài)一、晶核長大的必要條件晶核生長：液相中的原子向晶體表面遷移的過程，即液/固界面向液相移動的過程。動態(tài)過冷度ΔTK：晶核長大所必須的界面過冷度。熱力學(xué)條件二、L/S界面微觀結(jié)構(gòu)微觀宏觀

對于多數(shù)無機化合物以及亞金屬Bi、Sb、Ga、As和半導(dǎo)體Ge、Si等，其液-固界面為光滑界面。微觀宏觀

對于金屬和某些低熔化熵的有機化合物，其液-固界面為粗糙界面三、晶體長大機制1.垂直長大2.橫向長大——光滑界面2）借螺型位錯長大機制——光滑界面晶體缺陷（螺位錯——臺階）晶核長大速率實驗表明：微觀粗糙界面ΔTK=0.001-0.05K

微觀光滑界面ΔTK=1-2K四、晶體生長形態(tài)固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)界面前沿液相中的溫度梯度1.L/S界面上的溫度梯度2.晶體長大的形態(tài)粗糙界面——樹枝晶光滑界面——有樹枝狀傾向，不明顯第