第十节-晶体-形核PPT课件

第四章晶体生长,4-0形核驱动力4-1凝固过冷度4-2固液界面的微观结构4-3晶体生长方式4-4晶体生长方法参考文献作业题,液相自由能GL速率变化大由于结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，液相自由能GL将以更大的速率随着温度的升高而下降。晶体结构高度有序、内能更低在低温下固相自由能GS低于液相自由能GL，并于某一温度T0处两者相交。T0即为纯金属的平衡结晶温度；当TT0时，GLGS，固、液两相处于热力学平衡状态。,只有当TGS，结晶才可能自发进行。,过冷度：TT0T,0oC水能结冰吗？,当T2,多种形核能力不同的衬底物质存在时，液态金属的形核率应当是这几种物质所具有的形核率的总和。此时，过冷度有双重作用，过冷度越大：参加非均匀形核的衬底物质就越多同一种衬底物质促进非均匀形核能力也越强,总形核率越大,形核过程控制促进形核抑制形核选择形核,4-1-3形核控制,形核规律研究,控制形核,凝固组织控制,(1）促进形核目的：细化手段：提高形核速率常用控制形核方法增大冷却速率，在大的过冷度下形核利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落；采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细小的等轴晶组织。添加晶粒细化剂，促进异质形核；,4-1-3形核控制,关键问题:如何选择合适的形核剂。在液态金属中尽可能保持稳定具有最大的表面积和最佳的表面特性(如表面粗糙或有凹坑等)保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角,形核剂在液态金属中加入形核剂以促进非均匀形核。从而达到细化晶粒、改善性能的目的。促进非均匀形核的衬底物质可以是形核剂本身，也可以是它与液态金属的反应产物。,润湿角是由结晶相、液相和固相之间的界面能所确定若不考虑温度的影响，对给定金属而言，LC是一定值；在一般情况下，LS与LC的值也相近，故润湿角主要取决于CS的大小。CS越小，衬底的非均匀形核能力就越强。,CS何时小？,界面共格对应条件：只有当衬底物质的某一个晶面与结晶相的某一个晶面上的原子排列方式相似，而其原子间距相近或在一定范围内成比例时，才能实现界面共格对应。,界面共格对应界面共格对应理论认为，在非均匀形核过程中，衬底晶面总是力图与结晶相的某一最合适的晶面相结合，以便组成一个CS最低的界面。因此界面两侧原子之间必然要呈现出某种规律性的联系，这种规律性的联系称为界面共格对应。,晶格结构越相似，它们之间的界面能越小，越小,点阵畸变，可用点阵错配度来衡量当0.05时，界面称完全共格界面，其界面能CS较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。当0.050.25时，通过点阵畸变过渡和位错网络调节，可以实现界面两侧原子之间的部分共格对应，这种界面称部分共格界面。部分共格界面，其界面能稍高，衬底具有一定的促进非均匀形核的能力。但随的增大，衬底的促进形核作用逐渐减弱，直至完全失去作用,研究表明：在值较小情况下，非均匀形核临界过冷度与之间的关系为：,界面共格对应理论实验验证镁和-锆同为密排六方晶格，镁的晶格常数a=0.3209nm，c=0.5210nm；锆晶格常数，a=0.3210nm，c=0.5133nm，锆的熔点(1852)远高于镁(650)溶有微量锆的镁合金在冷却过程中通过包晶反应析出高弥散度的-锆，可以直接作为镁的晶核，从而显著地细化晶粒。,锆是镁的非常有效的形核剂,钛和铜晶格结构不同，但钛的密排六方晶格(a=0.29506nm，c=0.4678nm)的0001面和铜的面心立方晶格(a=0.3615nm)的111面具有相似的原子排列方式，其原子间距也相近，因此钛也是铜合金的有效形核剂。,(2）抑制形核,快速冷却，来不及形核度液态金属（非晶）或细晶去除异质形核核心熔体内核心去除循环过热法和熔融玻璃净化法坩埚表面异质形核基底的避免悬浮熔炼或熔融玻璃隔离,由于点阵错配而引起的晶格畸变是共格型界面能的主要来源，但决非惟一来源。近代研究表明，物质表面具有一个偏离内部正常结构的过渡层。影响非均匀形核的其他因素，如LS与LC的大小、形核剂的稳定性以及表面的几何形状和粗糙度等可能有时起着更大的作用。,到目前为止，工业上的有效形核剂都是通过试验获得的例：铝合金晶粒细化剂，效益,理论的局限性,(3）选择形核,当合金液在远离热力学平衡的大过冷度下凝固时，某些在低温下才会形成的非平衡相可能达到形核条件而优先于平衡相发生形核并长大。通过控制形核温度或加入适合于特定相的形核剂（接触角小）激励某特定相优先形核，可实现凝固过程相的选择。单晶籽晶,形核充要条件,结构条件,能量条件,热力学条件,G0,液相必须过冷,生活问题1、饮料瓶哪种方式降温最快？（1）涂醋放于冷冻室、（2）涂柠檬裹铝箔放于冷藏室、（3）放于冰水盐混合液2、如何10秒内一瓶啤酒由液体全变成冰？,