2.1.2.3 形核與形核率(3)形核控制

研究形核規(guī)律是為了控制形核。對(duì)凝固過程的形核進(jìn)行有效控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)凝固組織的控制。形核過程的控制包括促進(jìn)形核、抑制形核和選擇形核三個(gè)不同方面1）促進(jìn)形核在普通鑄件和鑄錠的凝固中人們通常希望獲得細(xì)小的等軸晶組織以提高力學(xué)性能。為此，常常采用各種特殊措施促進(jìn)形核，提高形核速率。4形核控制目錄

2/16/20241常見控制形核方法增大冷卻速率，在大的過冷度下形核；利用澆注過程的液流沖擊造成型壁上形成的晶粒脫落；采用機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌、超聲振動(dòng)等措施使已經(jīng)形成的樹枝狀晶粒破碎，獲得大量的結(jié)晶核心，最終形成細(xì)小的等軸晶組織。添加晶粒細(xì)化劑，促進(jìn)異質(zhì)形核；形核劑在液態(tài)金屬中加入形核劑以促進(jìn)非均勻形核。從而達(dá)到細(xì)化晶粒、改善性能的目的。促進(jìn)非均勻形核的襯底物質(zhì)可以是形核劑本身，也可以是它與液態(tài)金屬的反應(yīng)產(chǎn)物。目錄

2/16/20242關(guān)鍵問題:如何選擇合適的形核劑。由非均勻形核理論可知，一種好的形核劑首先應(yīng)能保證結(jié)晶相在襯底物質(zhì)上形成盡可能小的潤濕角θ；其次形核劑還應(yīng)在液態(tài)金屬中盡可能保持穩(wěn)定，并且具有最大的表面積和最佳的表面特性

(如表面粗糙或有凹坑等)。目錄

2/16/20243潤濕角θ是由結(jié)晶相、液相和固相之間的界面能所確定若不考慮溫度的影響，對(duì)給定金屬而言，σLC是一定值；在一般情況下，σLS與σLC的值也相近，故潤濕角θ主要取決于σCS的大小。σCS越小，襯底的非均勻形核能力就越強(qiáng)。σCS何時(shí)??？目錄

2/16/20244界面共格對(duì)應(yīng)界面共格對(duì)應(yīng)理論認(rèn)為，在非均勻形核過程中，襯底晶面總是力圖與結(jié)晶相的某一最合適的晶面相結(jié)合，以便組成一個(gè)σCS最低的界面。因此界面兩側(cè)原子之間必然要呈現(xiàn)出某種規(guī)律性的聯(lián)系，這種規(guī)律性的聯(lián)系稱為界面共格對(duì)應(yīng)。界面共格對(duì)應(yīng)條件：只有當(dāng)襯底物質(zhì)的某一個(gè)晶面與結(jié)晶相的某一個(gè)晶面上的原子排列方式相似，而其原子間距相近或在一定范圍內(nèi)成比例時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)界面共格對(duì)應(yīng)。目錄

2/16/20245點(diǎn)陣畸變，可用點(diǎn)陣錯(cuò)配度δ來衡量

當(dāng)δ≤0.05時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變過渡可以實(shí)現(xiàn)界面兩側(cè)原子之間的一一對(duì)應(yīng)。這種界面稱完全共格界面，其界面能σCS較低，襯底促進(jìn)非均勻形核的能力很強(qiáng)。當(dāng)0.05<δ<0.25時(shí)，通過點(diǎn)陣畸變過渡和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)界面兩側(cè)原子之間的部分共格對(duì)應(yīng)，這種界面稱部分共格界面。目錄

2/16/20246部分共格界面，其界面能稍高，襯底具有一定的促進(jìn)非均勻形核的能力。但隨δ的增大，襯底的促進(jìn)形核作用逐漸減弱，直至完全失去作用。研究表明，在δ值較小情況下，非均勻形核臨界過冷度與δ之間的關(guān)系為：目錄

2/16/20247界面共格對(duì)應(yīng)理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鎂和α-鋯同為密排六方晶格，鎂的晶格常數(shù)a=0.3209nm，c=0.5210nm；α鋯晶格常數(shù)，a=0.3210nm，c=0.5133nm，鋯的熔點(diǎn)(1852℃)遠(yuǎn)高于鎂(650℃)，因此鋯是鎂的非常有效的形核劑。溶有微量鋯的鎂合金在冷卻過程中通過包晶反應(yīng)析出高彌散度的α-鋯，可以直接作為鎂的晶核，從而顯著地細(xì)化晶粒。目錄

2/16/20248鈦和銅晶格結(jié)構(gòu)不同，但鈦的密排六方晶格(a=0.29506nm，c=0.4678nm)的{0001}面和銅的面心立方晶格(a=0.3615nm)的{111}面具有相似的原子排列方式，其原子間距也相近，因此鈦也是銅合金的有效形核劑。

目錄

2/16/20249該理論的局限性

①由于點(diǎn)陣錯(cuò)配而引起的晶格畸變是共格型界面能的主要來源，但決非惟一來源。②近代研究表明，物質(zhì)表面具有一個(gè)偏離內(nèi)部正常結(jié)構(gòu)的過渡層。

③影響非均勻形核的其他因素，如σLS與σLC的大小、形核劑的穩(wěn)定性以及表面的幾何形狀和粗糙度等可能有時(shí)起著更大的作用。到目前為止，工業(yè)上的有效形核劑都是通過試驗(yàn)獲得的例：納米晶粒細(xì)化劑，效益目錄

2/16/2024102）抑制形核為了獲得單晶，或?qū)崿F(xiàn)大過冷度下的凝固，或使形核過程完全被抑制而得到非晶態(tài)材料，需要抑制晶核的形成。由于形核伴隨著原子的遷移，是在一定的時(shí)間內(nèi)完成的，因而快速冷卻是抑制形核的途徑之一。但冷卻速率必須足夠大，否則液態(tài)合金反而獲得較大的過冷度，使形核速率增大。(I)抑止非均勻形核，方法？去除液相中的固相質(zhì)點(diǎn)是抑制異質(zhì)形核的主要途徑，常用的方法是循環(huán)過熱法和熔融玻璃凈化法。坩堝表面可能成為異質(zhì)形核的基底，采用懸浮熔煉或熔融玻璃隔離是抑制形核的有效措施。目錄

2/16/2024113）選擇形核當(dāng)合金液在遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡的大過冷度下凝固時(shí)，某些在