華科復(fù)試課件03純金屬結(jié)晶

1第三章純金屬的結(jié)晶

材料由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程稱為凝固，其中轉(zhuǎn)變成晶體的過程稱為結(jié)晶?！?–1純金屬結(jié)晶的現(xiàn)象一、宏觀現(xiàn)象1.過冷現(xiàn)象：液態(tài)金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn總是低于理論結(jié)晶溫度Tm，兩者之差△T＝Tm－Tn即為過冷度。

●液態(tài)金屬只有在過冷狀態(tài)才有結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。

●冷卻速度越大，過冷度就越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大。

●實(shí)際金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度一般只有幾攝氏度。2.純金屬恒溫結(jié)晶：因結(jié)晶潛熱的釋放，補(bǔ)償了散熱引起的溫度下降，故結(jié)晶時(shí)溫度恒定，待結(jié)晶完畢后，溫度才繼續(xù)下降。2二、微觀過程

1.結(jié)晶是晶核不斷形成和長大的過程。⑴形成晶核液態(tài)金屬中總是存在不穩(wěn)定的規(guī)則排列的微小原子集團(tuán)，稱為相起伏。過冷液相中的相起伏稱為晶胚。過冷度越大，則晶胚尺寸越大，數(shù)量越多。過冷度足夠大時(shí)，一些晶胚轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的晶核，不再融化，結(jié)晶開始。⑵晶核長大3§3–2金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件自由能：物質(zhì)中能自動(dòng)向外釋放或能對(duì)外做功的能量。物質(zhì)體系總是自發(fā)的向自由能降低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。因?yàn)殪豐為正，自由能G隨溫度T的上升而下降。因?yàn)橐后w的熵大于固體的熵，所以液體的曲線下降趨勢更陡。設(shè)兩曲線相交處的溫度為Tm（理論結(jié)晶溫度），當(dāng)T=Tm

時(shí)，GS=GL,液固兩相共存

T>Tm

時(shí)，GS>GL,熔化

T<Tm

時(shí)，GS<GL,結(jié)晶在恒壓下，dp=0，因此：

所以，金屬結(jié)晶一定要在過冷條件下進(jìn)行，此時(shí)自由能變化為負(fù)，結(jié)晶才有驅(qū)動(dòng)力。4§3–3晶核的形成一、均勻形核（自發(fā)形核）在純凈液態(tài)金屬內(nèi)發(fā)生，各區(qū)域形核的幾率基本一致。1.臨界晶核半徑設(shè)晶胚形狀為球形,則形成一個(gè)晶胚總的能量變化是：

52.形核功將代入⑴式,可求出形核功：⑴形成臨界晶核時(shí)，體積自由能下降只抵消了表面自由能的三分之二，另外三分之一需由外界提供。⑵液態(tài)金屬各微區(qū)的能量高低不等,變化不定，稱為能量起伏，形核功是由能量起伏提供的。6

3.臨界過冷度⑴△T越大，則溫度越低，最大晶胚尺寸rmax越大。⑵臨界晶核半徑rk與△T的關(guān)系：作出rmax，rk與△T的關(guān)系曲線，兩曲線交點(diǎn)處的坐標(biāo)即為臨界過冷度△Tk。當(dāng)△T﹤△Tk，rmax

<rk不能形核；△T﹥△Tk，rmax

>rk,

形核過冷度必須大于臨界過冷度，才能形核?！鱐△TkRmax，Rk與△T的關(guān)系曲線rmaxrkrkrmax74.過冷度對(duì)形核率的影響單位時(shí)間在單位體積液相中形核數(shù)量稱為形核率。⑴形核功△Gk的影響⑵結(jié)晶溫度Tn的影響當(dāng)溫度降低,即過冷度增大時(shí)，原子擴(kuò)散能力降低，形核率下降。綜合過冷度對(duì)形核率兩方面互為矛盾的影響，曲線出現(xiàn)極大值。但在一般情況下，形核率隨過冷度的上升而上升。形核率N過冷度△T過冷度對(duì)形核率影響的曲線8二、非均勻形核（非自發(fā)形核）晶核以液相中未熔固態(tài)質(zhì)點(diǎn)的表面為基底形成，降低了形核過程中表面自由能，形核就可以在較小過冷度下進(jìn)行。1.臨界半徑和形核功

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S29續(xù)上頁102.非均勻形核功的討論θθθ=0θ=π0<θ<π11⑴晶核與液態(tài)金屬中未熔質(zhì)點(diǎn)的晶體結(jié)構(gòu)相似程度越大,則接觸

角就越小,形核功也就越小,就能提高形核率。

⑵與晶核的晶體結(jié)構(gòu)非常相似的未熔固態(tài)質(zhì)點(diǎn)稱為活性質(zhì)點(diǎn)。

在液態(tài)金屬中的活性質(zhì)點(diǎn)可以有效地減小接觸角θ，提高形

核率。3.怎樣減小接觸角θ（或稱潤濕角）

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S212§3–4晶核的長大一、長大的條件晶體長大必須在過冷條件下進(jìn)行，過冷度越大，則長大的速度越快。二、晶體生長的界面形狀取決與液固界面前沿液相中的溫度分布。1.正的溫度梯度一般情況下，液固界面前沿液相中出現(xiàn)正的溫度梯度，過冷度隨離界面距離的增加而減小,晶體以平面方式長大。2.負(fù)的溫度梯度特殊情況下，液固界面前沿液相中出現(xiàn)負(fù)的溫度梯度，過冷度隨離界面距離的增加而增加,晶體以枝晶方式長大。距離距離溫度溫度TmTmS/LS/L界面前沿液相中的正溫度梯度界面前沿液相中的負(fù)溫度梯度過冷區(qū)13三、晶粒大小的控制在常溫條件下,組織中的晶粒越細(xì)，材料的綜合力學(xué)性能越高。細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的方法

⑴提高過冷度一般以提高液態(tài)金屬的冷