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第四章 金属的凝固熔化炼钢 浇注 炼铜w凝固:物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体,则称之为结晶。w多数材料都要经过凝固过程。w凝固过程影响材料组织、后续工艺性能、使用性能和寿命。w了解凝固过程,对控制铸件的质量,提高金属制品的质量十分有益。w凝固可为其它相变的研究提供基础。4.1 液态金属的性质从宏观性质推断:w熔化体积变化小,原子间距接近固体w熔化热较小,键的变化较小;w正电阻温度系数,仍是金属键;w热容变化小,原子运动特性差别小;w熔化熵较小,典型金属 0, Gvrk,自发生长。w 即只有大于 rk的晶胚才能成为晶体生长的核心。( 2)临界晶核w 根据极值条件,上式对 r求导数并令其等于零,可求得临界晶核半径w 将 GV与过冷度的关系代入上式,可得到w 过冷度越大,临界半径越小。形核要求一定的过冷度。( 3)形核功w形成临界尺寸晶核,体系能量上升的幅度称为形核功能量条件w 形成临界晶核时,表面能增量w 形核功是过冷液体开始形核时的主要障碍w 形核功来自何方?在没有外部供给能量的条件下,依靠液体本身存在的 “能量起伏 ”来供给w 液体中客观存在的结构起伏和能量起伏是促成形核的必要因素。( 4)形核率w 单位时间单位体积液体中新增加晶核的数量, Nw 形核率取决于形核功与液相原子活动性两个因素n 驱动力因素:n 原子移动因素:过冷度与形核率4.3.2 非均匀形核w液体金属中常有一些固体颗粒,另外金属结晶时一般要和容器内壁接触,它们与液体之间存在现成的界面。w非均匀形核发生在界面能阻力较小的部位,一般就在已经存在的固体表面。需要的形核功较小。( 1)形核时能量变化w 假如晶核形状是截自半径为 r圆球的球缺,截面半径为 R,晶核形成时体系总的自由能变化为w V:晶核体积 GV:单位体积的固液两相自由能之差 GS:晶核形成时体系增加的表面能表面能变化w新生界面 2处: S/W , AS/W ; S/L, AS/Lw消失界面 1处: L/W , AL/W; AL/W = AS/Ww利用面积公式和平衡关系体积自由焓变化由几何学可知:球缺体积w与均匀形核相比,只是最后的角度项不同( 2)临界半径与形核功w晶核的临界半径(与均匀形核相同)w形核功w除了 =180,非均匀形核形核功较小。接触角(润湿角)的作用w润湿角 反映了 SW 的大小,基底与金属结构、晶格常数越相似,润湿角越小。w极端情况下, S=W ,润湿角趋于零,形核功为零。基底表面曲率的影响w在接触角一定时,表面曲率影响晶核的体积与形核功;w凹形表面晶核体积最小,例如表面凹凸不平或存在微裂纹、微孔促进形核。形核率与过冷度 因形核功较小,非均匀形核时在较小的过冷度下可获得较高的形核率; 受有利位置的限制,最大形核率小于均匀形核( 1)均匀形核 ( 2)非均匀形核实际结晶时的形核w大块金属一般过冷度几度,非均匀形核;w液滴或把金属封装在玻璃里等极端条件下可以实现较大的过冷
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