第五章 纯金属凝固

1、第五章第五章 纯金属的凝固纯金属的凝固凝固凝固： （solidification） 物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称该过程为为晶体，则称该过程为结晶结晶(cystallization) 。铸造：铸造：将将金属熔炼金属熔炼成符合要求的成符合要求的液体液体并浇进铸型，冷却并浇进铸型，冷却凝固凝固、得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程工艺过程。 最早的成型手段；最早的成型手段； 生产的第一个环节；生产的第一个环节； 最经济的生产方法；最经济的生产方法； 直接影响材料的工艺性能和使用性能（组织基本直

2、接影响材料的工艺性能和使用性能（组织基本参数与性能有明确关系）。参数与性能有明确关系）。铸造方法铸造方法（d）熔模铸造）熔模铸造熔模铸造熔模铸造焊接焊接：利用：利用局部加热局部加热的方法将被联接件联接成一种不可拆的的方法将被联接件联接成一种不可拆的整体工艺过程。整体工艺过程。 焊接方法焊接方法 5.1 金属结晶的现象金属结晶的现象 5.1.1 液态金属的结构液态金属的结构用衍射法测得的金属液态和固态的结构数据比较用衍射法测得的金属液态和固态的结构数据比较 金属金属 液态液态 固态固态原子间距原子间距/nm 配位数配位数 原子间距原子间距/nm 配位数配位数Al 0.296 10-11 0.28

3、6 12Zn 0.294 11 0.265, 0.294 6+6Cd 0.306 8 0.297, 0.330 6+6Au 0.286 11 0.288 12Bi 0.322 7- 8 0.309, 0.346 3+3结构起伏结构起伏：Structural undulation大小不一的近程有序排列的此起彼伏构成的液大小不一的近程有序排列的此起彼伏构成的液体金属的动态图像。体金属的动态图像。 液态的液态的结构特征结构特征：原子排列：原子排列长程无序，动态短程有序长程无序，动态短程有序。5.1.2 纯金属结晶的过冷现象纯金属结晶的过冷现象过冷过冷：(Supercooling或Undercooli

4、ng )液态材料在理论结晶温度以下仍保持液液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象态的现象。过冷度过冷度 T:(super cooling degree)理论凝固温度理论凝固温度Tm与实际开始凝固温度与实际开始凝固温度Tn之差，即之差，即T= Tm - Tn 。纯金属的冷却曲线 结晶的结晶的必要条件必要条件：过冷过冷 过冷度过冷度与金属的与金属的本质本质、纯度纯度、冷却速度冷却速度的差异可的差异可以在很大的范围内以在很大的范围内变化变化。 实际结晶温度总是实际结晶温度总是低于低于理论结晶温度。理论结晶温度。 在极其缓慢的冷却速度条件下，两者相差甚微（约在极其缓慢的冷却速度条件下，两者相差甚微

5、（约0.02左右）；左右）； 金属种类不同，过冷度的大小也不同；金属种类不同，过冷度的大小也不同； 金属的纯度越高，则过冷度越大；金属的纯度越高，则过冷度越大； 冷却速度越快，则过冷度越大，实际结晶温度越低。冷却速度越快，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 热分析法热分析法：在一定的冷却条件下，通过测冷却曲线作为在一定的冷却条件下，通过测冷却曲线作为分析金属结晶过程的方法。分析金属结晶过程的方法。5.1.3 形核与长大过程现象形核与长大过程现象 实验证明，结晶过程是实验证明，结晶过程是形核形核与与长大长大的过程。的过程。 结晶时，首先在液体中形成具有某一临界尺寸的结晶时，首先在液体中形成具有某一

6、临界尺寸的晶核晶核（nucleus of crystallization），然后这些晶核再不断地凝聚液体中，然后这些晶核再不断地凝聚液体中的原子继续长大。的原子继续长大。 结晶过程是由结晶过程是由形核形核和和长大长大这两个过程这两个过程交替重叠交替重叠进行。进行。 对一个晶粒来说，可严格区分其形核和长大两个阶段；对一个晶粒来说，可严格区分其形核和长大两个阶段； 就整个金属来说，形核和长大是互相交替重叠进行的。就整个金属来说，形核和长大是互相交替重叠进行的。纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图形核与长大过程形核与长大过程5.2 纯金属结晶的热力学条件纯金属结晶的热力学条件 dG=VdPSdT

7、 在冶金系统中，压力可视为常数在冶金系统中，压力可视为常数 ,即即dP=0SdTdGP T =Tm ：GL=GS 液固平衡共存液固平衡共存 TTm： S L图5-3 液态、固态纯金属自由能随温度变化的示意图固相GS液相GLTT1TmG=GS-GL0G温度T自由能)()(LSLSSSTHH液液固，单位体积自由能的变化固，单位体积自由能的变化GV为为其中：其中：Lm为结晶潜热，为结晶潜热， T=Tm时，时，Gv=0 )(LSmSSTL（1）)(LLSSLSvTSHTSHGGG（2）mmLsTLSS将（将（2）代入（）代入（1），），mmmTTTL)(晶体凝固的热力学条件表明：晶体凝固的热力学条件表

8、明： 实际凝固温度应低于熔点实际凝固温度应低于熔点Tm GV与与T呈线性关系呈线性关系mmmvTLTLGmmvTTLG推论：推论： T0, GV0，即过冷是结晶的必要条件之一。，即过冷是结晶的必要条件之一。 T, GV ，即过冷度越大，即过冷度越大， 越有利于结晶。越有利于结晶。 GV的绝对值为凝固过程的驱动力，的绝对值为凝固过程的驱动力， GV，驱动力，驱动力，凝固过程加快。凝固过程加快。mmvTTLG5.3 形核形核形核形核：(nucleation) 在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核在母相中形成等于或超过一定临界大小的新相晶核的过程。的过程。两种形核方式：两种形核方式：均匀形核

9、均匀形核（自发形核）（自发形核） 非均匀形核非均匀形核（非自发形核）（非自发形核）5.3.1 均匀形核均匀形核（homogeneous nucleation）均匀形核均匀形核：在过冷液体中，以在过冷液体中，以液态金属本身具有液态金属本身具有的，能够的，能够稳定稳定存在的晶胚存在的晶胚（embryo）为结晶核心直接为结晶核心直接成核成核的过程。的过程。新相晶核在母相整个体积内新相晶核在母相整个体积内无规则的无规则的、均匀的均匀的、自自发的发的形成。形成。（1）均匀形核时的能量变化）均匀形核时的能量变化能量变化能量变化原子从液态转变为固态，体系内的自由能（固、液原子从液态转变为固态，体系内的自由能

10、（固、液间体积自由能差）间体积自由能差）降低降低；晶胚构成新的界面、引起表面吉布斯自由能（单位晶胚构成新的界面、引起表面吉布斯自由能（单位面积表面能面积表面能）增加增加。AVGGV23434rGrGV体积自由能体积自由能动力动力 表面自由能表面自由能阻力阻力设形成半径设形成半径 r 的球形晶核，的球形晶核，Gr表面自由能体积自由能084)(2rGrdrGdVmmVTTLGTLTrmm2*（2）临界晶核（）临界晶核（critical nucleus）VGr2*Gr表面自由能体积自由能*r 只有晶胚半径达到只有晶胚半径达到r*时才能使晶胚成为稳定晶核：时才能使晶胚成为稳定晶核： rr* 晶胚长大，

11、晶胚长大，G升高，晶胚不能长大，形成后立即升高，晶胚不能长大，形成后立即消失。消失。 rr* 晶胚长大，晶胚长大，G下降，晶胚可能成为稳定晶核。下降，晶胚可能成为稳定晶核。 称称r*为为临界晶核半径。临界晶核半径。 Gr表面自由能体积自由能*r22323)(316)(316*TLTGGmmV（3）临界形核功与能量起伏）临界形核功与能量起伏临界形核功临界形核功：(critical nucleation energy)形成临界晶核时需额外对形核所做的功，形成临界晶核时需额外对形核所做的功，简称简称形核功形核功。2222216*)(4*TLTrAmm*31*AG Gr表面自由能体积自由能*r*G23

12、434rGrGVTLTrmm2*说明说明： 形核功形核功G*与（与（T )2成反比，成反比，T，G*； 形成临界晶核时自由能仍是增高的（形成临界晶核时自由能仍是增高的（G*0），其增），其增值相当于其表面能的值相当于其表面能的1/3，即，即LS体积自由能差值只补体积自由能差值只补偿形成临界晶核表面所需的能量的偿形成临界晶核表面所需的能量的2/3，而不足的，而不足的1/3则则另需他法；另需他法； 需需能量起伏能量起伏(energy undulation)来补充。来补充。 系统中微小区域的能量偏离平均能系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。量水平而高低不一的现象。ATLTGmm31

13、)(316*223结晶的结晶的必要条件必要条件过冷度过冷度结构起伏结构起伏能量起伏能量起伏均匀形核的均匀形核的临界过冷度临界过冷度rTTm*rmaxrT *TLTrmm2*（4）形核率）形核率当温度低于当温度低于Tm时，形核率受时，形核率受两个因素两个因素的控制的控制 ：形核功因子形核功因子 ：kTG*exp原子扩散的几率因子原子扩散的几率因子 ： kTQexp形核率形核率： 在单位时间、单位体积母相中形成的晶核数目。在单位时间、单位体积母相中形成的晶核数目。21NNNTTmkTG*exp kTQexpkTQG*exp kTQGKkTQkTGKN*expexp*exp因此因此形核率形核率为为

14、：因此形核率为因此形核率为 ： K ：比例常数；：比例常数；G* ：形核功；：形核功；Q ：原子越过液、固相界面的扩散激活能；：原子越过液、固相界面的扩散激活能； k ：玻尔兹曼常数；：玻尔兹曼常数； T ：绝对温度。：绝对温度。 kTQGKkTQkTGKN*expexp*exp温度与形核率 图中出现峰值，其原因是在过冷图中出现峰值，其原因是在过冷度较小时，形核率主要受形核率因度较小时，形核率主要受形核率因子控制，随着过冷度增加，所需的子控制，随着过冷度增加，所需的临界形核半径减小，因此形核率迅临界形核半径减小，因此形核率迅速增加，并达到最高值；随后当过速增加，并达到最高值；随后当过冷度继续增

15、大时，尽管所需的临界冷度继续增大时，尽管所需的临界晶核半径继续减小，但由于原子在晶核半径继续减小，但由于原子在较低温度下难于扩散，此时，形核较低温度下难于扩散，此时，形核率受扩散的几率因子所控制，即过率受扩散的几率因子所控制，即过峰值后，随温度的降低，形核率随峰值后，随温度的降低，形核率随之减小。之减小。 对于对于易流动液体易流动液体，形核率随温度下，形核率随温度下降至某值降至某值Tk突然显著增大。突然显著增大。 Tk称均匀形核的称均匀形核的有效形核温度有效形核温度。 大多数液均匀形核在大多数液均匀形核在相对过冷度相对过冷度 Tk称称有效形核过冷度有效形核过冷度 Tk0.2Tm(Tm用绝对温度

16、表示用绝对温度表示) 。 对于对于高粘滞液体高粘滞液体，均匀形核速率很，均匀形核速率很小，基本不存在有效形核温度。小，基本不存在有效形核温度。 25. 015. 0mkmmkTTTTT图5-6 金属的形核率N与过冷度T的关系 实验测得的成核温度实验测得的成核温度 Tm/K Tk/K Tk/Tm 汞汞 234.3 176.3 0.247 锡锡 505.7 400.7 0.208 铅铅 600.7 520.7 0.133 铝铝 931.7 801.7 0.140 银银 1233.7 1006.7 0.184 金金 1336 1106 0.172 铜铜 1356 1120 0.174 铁铁 1803

17、 1508 0.164 铂铂 2043 1673 0.181 NaF 1265 984 0.222 NaCl 1074 905 0.157例例：已知纯铜的凝固温度：已知纯铜的凝固温度Tm=1356K， Tk=236K，熔化热，熔化热Lm=1628106Jm3，比表面能，比表面能=17710-3Jm2，点阵常数点阵常数 a=3.61510-10m。 计算铜形核时临界晶核中的原子数。计算铜形核时临界晶核中的原子数。TLTrmm2*m96310294. 12361012671356101772晶胞体积：晶胞体积：329310724. 4maVc假设临界晶核为球形，则其体积为：假设临界晶核为球形，则其

18、体积为：327310157. 8*34*mrV临界晶核中的晶胞数目为：临界晶核中的晶胞数目为：173*cVVn 铜是铜是FCC结构，每个晶胞有结构，每个晶胞有4个原子，因此，一个临界个原子，因此，一个临界晶核应包含晶核应包含692个原子。个原子。5.3.2 非均匀形核非均匀形核(heterogeneous nucleation)非均匀形核非均匀形核： 在过冷液体中，晶胚依附在杂质或容器表在过冷液体中，晶胚依附在杂质或容器表面上形核的过程。面上形核的过程。 实际铸造中，均匀形核现象很少，通常金属液中总实际铸造中，均匀形核现象很少，通常金属液中总是存在着各种固态杂质颗粒。是存在着各种固态杂质颗粒。

19、 实际金属的结晶主要是按非均匀形核的方式进行实际金属的结晶主要是按非均匀形核的方式进行。2.3.2 非均匀形核非均匀形核( (heterogeneous nucleation) )非均匀形核非均匀形核：在过冷液体中，晶胚依附在其他固态在过冷液体中，晶胚依附在其他固态物质（如高熔点化合物颗粒等）表面物质（如高熔点化合物颗粒等）表面上形核的过程，新相晶核依附于其它上形核的过程，新相晶核依附于其它物质择优形成。物质择优形成。 在实际铸造中，均匀形核现象很少，通在实际铸造中，均匀形核现象很少，通常金属液中总是存在着各种固态杂质颗粒，常金属液中总是存在着各种固态杂质颗粒，液态金属的原子常常依附于这些固态

20、杂质颗液态金属的原子常常依附于这些固态杂质颗粒（包括铸模型壁）上形核。粒（包括铸模型壁）上形核。 实际金属的结晶主要是按非均匀形核的方实际金属的结晶主要是按非均匀形核的方式进行式进行。（1）非均匀形核时的能量变化及形核功）非均匀形核时的能量变化及形核功 设一曲率半径为设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。上形成。 接触角接触角为为 （又称（又称浸润角浸润角）。）。 )(MLMMLLVAAVGAVGGV)cos1 (22rAL)coscos2(32LrA)3coscos32(33 rVMLLMcos)cos1 ()sin(2222rrRAM4coscos32434

21、323LVrGrG非VGr2*临界半径：临界半径： 非均匀形核时，临界非均匀形核时，临界球冠的曲率半径球冠的曲率半径与均匀形核时与均匀形核时球形晶球形晶核的半径核的半径是相等的。是相等的。4coscos32)(3f令)(fGG均非非均匀形核的形核功：非均匀形核的形核功：*223*)()(316)(均非GfTLTfGmm讨论：讨论： =0, f（）=0,G*非非=0，基底和晶核结构相同，直接，基底和晶核结构相同，直接长大，称外延生长；长大，称外延生长；杂质本身即为晶核杂质本身即为晶核； 0180, 0 f（）1,G*非非G*均均，杂质促杂质促进形核进形核。 =180, f（）=1, G*非非=G

22、*均均，基底和晶核完全不润，基底和晶核完全不润湿，相当于均匀形核；湿，相当于均匀形核；杂质不起作用杂质不起作用。*223*)()(316)(均非GfTLTfGmm均匀形核与非均匀形核均匀形核与非均匀形核比较比较： 二者临界半径相等。二者临界半径相等。 非均匀形核所需的形核功小于均匀形核功。非均匀形核所需的形核功小于均匀形核功。 非均匀形核更容易，所需过冷度更小。非均匀形核更容易，所需过冷度更小。 因为因为 f（）1，故，故越小，越易形核越小，越易形核 。 在杂质和型壁上形核可减少单位体积的表面能，使在杂质和型壁上形核可减少单位体积的表面能，使 临界晶核的原子数较均匀形核少。临界晶核的原子数较均

23、匀形核少。 例：例：计算铜在非均匀形核时临界晶核中的原子数。计算铜在非均匀形核时临界晶核中的原子数。解：球冠体积为解：球冠体积为)3(32*hrhVcap 假设：球冠高假设：球冠高h = 0.2r ； 球冠曲率半径球冠曲率半径 r 取铜均匀形核临界半取铜均匀形核临界半 r*。328*10284. 2mVcap5*ccapVVn每个临界晶核约有每个临界晶核约有20个原子。个原子。（2）非均匀形核形核率）非均匀形核形核率 非均匀形核比均匀形核容易。非均匀形核比均匀形核容易。 凝固开始的临界过冷度降低；凝固开始的临界过冷度降低；在同样过冷度的条件下，因形核功小在同样过冷度的条件下，因形核功小形核率提

24、高。形核率提高。注注：虽然：虽然G非非G均均，N非非不一定比不一定比N均均大，还取决于是否存在基底以及大，还取决于是否存在基底以及基底的多少。基底的多少。图5-8 均匀形核率和非均匀形核率随过冷度的变化示意图（3）影响非均匀形核的因素）影响非均匀形核的因素 1）过冷度）过冷度 非均匀形核的形核率随过冷度的增大而增高，但增高非均匀形核的形核率随过冷度的增大而增高，但增高的速率比均匀形核的平缓。的速率比均匀形核的平缓。 非均匀形核达到最大形核率所需的过冷度仅为均匀形非均匀形核达到最大形核率所需的过冷度仅为均匀形核有效过冷度的十分之一。核有效过冷度的十分之一。 2）外来物质性质）外来物质性质 杂质与

25、晶体间的界面能杂质与晶体间的界面能，对形核的催化效能，对形核的催化效能。LMLMrrrcos点阵匹配原理：点阵匹配原理：结构相似，尺寸相当。结构相似，尺寸相当。（3）影响非均匀形核的因素）影响非均匀形核的因素1）过冷度 非均匀形核的形核率随过冷度的增大而增高，但增高的速率比均匀形核的平缓。 同时，随过冷度继续增大，形核率达到最大值后，曲线略有下降后中断。这是因为非均匀形核需要合适的基底，当晶核形成后，这些基底很快被已形成的晶核占据，反而使形核率略有下降。 非均匀形核达到最大形核率所需的过冷度仅为均匀形核有效过冷度的十分之一。 在实际金属凝固条件下，几乎全部是非均匀形核方式。 3 ）外来物质表面

26、形貌外来物质表面形貌 形核效能：凹面平面凸面形核效能：凹面平面凸面4）振动、搅拌等机械手段。振动、搅拌等机械手段。5.4 晶体（晶核）长大晶体（晶核）长大（crystal growth）晶体长大晶体长大：液体中单个液体中单个原子原子按照原子面排列的要求按照原子面排列的要求迁移迁移到晶到晶体表面，使体表面，使液液-固界面向液体中推移固界面向液体中推移的过程。的过程。 影响晶体长大主要因素：影响晶体长大主要因素：液液-固界面结构固界面结构 液液-固界面前沿液相中的温度分布固界面前沿液相中的温度分布。长大的长大的动力学条件：动力学条件：动态过冷度动态过冷度晶核长大所需的界面过冷度。晶核长大所需的界面

27、过冷度。（材料凝固的（材料凝固的必要条件必要条件）MdtdnFdtdnfiTT 在移动中的液在移动中的液-固界面上原子迁移的固界面上原子迁移的两种两种情况：情况：固固液，原子迁移速度：液，原子迁移速度：液液固，原子迁移速度：固，原子迁移速度：界面液固两相平衡共存：界面液固两相平衡共存：TfMdtdnFdtdnTdtdn界面前沿温度TiTKFMdtdndtdnfiTT 只有当界面温度只有当界面温度FMdtdndtdn才有才有实现原子从液体到固体净输送实现原子从液体到固体净输送必要条件必要条件：动态过冷度动态过冷度 （晶体长大的驱动力）（晶体长大的驱动力）5.4.1 固固-液界面前沿液体中的温度梯

28、度液界面前沿液体中的温度梯度 液液-固界面处的固界面处的温度分布温度分布决定晶体生长形态。决定晶体生长形态。 （1）正温度梯度）正温度梯度 （Positive Gradient） 凝固晶体前沿的过冷度随离界面距离的增加而减小凝固晶体前沿的过冷度随离界面距离的增加而减小 。 离液离液-界面的距离越远，温度越高。界面的距离越远，温度越高。（2）负温度梯度（）负温度梯度（Negative Gradient） 过冷度随离界面距离的增加而增大。过冷度随离界面距离的增加而增大。（2）负温度梯度负温度梯度 (Negative Gradient)过冷度随离界面距离的增加而增大。过冷度随离界面距离的增加而增大。

29、The negative temperature gradient at a solid-liquid interface. The positive temperature gradient at a solid-liquid interface. The temperature dependence of the melting and freezing rates. The temperature of a freezing interface must be less than the equilibrium freezing temperature, Tf.This undercoo

30、ling is called the kinetic undercooling, TK.TK = Tf - Ti is the undercooling at the interface required to produce a net flux of atoms from liquid to solid. 5.4.2 固固-液界面微观结构液界面微观结构 按原子尺度，相界面结构分为：按原子尺度，相界面结构分为：粗糙界面粗糙界面 光滑界面光滑界面 粗糙界面粗糙界面 光滑界面光滑界面 粗糙界面粗糙界面（rough interface）： 液固界面上的原子液固界面上的原子排列比较混乱，有几个原子层

31、厚的排列比较混乱，有几个原子层厚的过渡层过渡层，在过，在过渡层上液固原子各占一半。渡层上液固原子各占一半。 粗糙界面粗糙界面微观（原子尺度）粗糙、宏观（光学微观（原子尺度）粗糙、宏观（光学镜下）平整。金属或合金晶体生长的界面属于粗镜下）平整。金属或合金晶体生长的界面属于粗糙界面，如糙界面，如Fe、Al、Cu、Zn、Ag。光滑界面光滑界面（smooth interface） ：液固界面上的原：液固界面上的原子排列较规则，界面处液固两相截然分开。子排列较规则，界面处液固两相截然分开。 光滑界面光滑界面微观光滑、宏观粗糙。微观光滑、宏观粗糙。 Ga、As、Sb、Si、Se等以及无机化合物的界面属于光

32、滑界面。等以及无机化合物的界面属于光滑界面。粗糙界面粗糙界面（rough interface） （微观粗糙、宏观平整（微观粗糙、宏观平整金属或合金晶体生长的界面）：液固界面上的原子排金属或合金晶体生长的界面）：液固界面上的原子排列比较混乱，原子分布高低不平，存在几个原子层厚列比较混乱，原子分布高低不平，存在几个原子层厚的过渡层，在过渡层上液固原子各占一半，宏观上是的过渡层，在过渡层上液固原子各占一半，宏观上是平直的。平直的。 属于粗糙界面的有：金属，如属于粗糙界面的有：金属，如Fe、Al、Cu、Zn、Ag。光滑界面光滑界面（smooth interface） （微观光滑、宏观粗糙（微观光滑、宏

33、观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面）无机化合物或亚金属材料的界面） ：液固界面上的：液固界面上的原子排列比较规则，界面处液固两相截然分开。从微原子排列比较规则，界面处液固两相截然分开。从微观上是光滑的，宏观上是由若干个小平面所组成，呈观上是光滑的，宏观上是由若干个小平面所组成，呈锯齿状的折线状。锯齿状的折线状。 属于光滑界面的有：属于光滑界面的有：Ga、As、Sb、Si、Se等以及无等以及无机化合物机化合物 。5.4.3 晶核长大机制晶核长大机制 垂直长大垂直长大 二维形核二维形核 藉螺型位错生长藉螺型位错生长 粗糙界面粗糙界面 粗糙界面粗糙界面：垂直长大。：垂直长大。光滑界面光滑界面：横向长

34、大、二维晶核长大、依靠缺陷长大。：横向长大、二维晶核长大、依靠缺陷长大。Atomic attachment at (a) the faceted interface and (b) the non-faceted interface 5.4.4 纯金属凝固时的生长形态纯金属凝固时的生长形态 影响纯金属凝固生长形态的因素影响纯金属凝固生长形态的因素 液液-固界面的固界面的微观结构微观结构 界面前沿液相中的界面前沿液相中的温度分布温度分布 （1） 正温度梯度下纯金属结晶的平面生长正温度梯度下纯金属结晶的平面生长 正的温度梯度下，相界面的推移速度受固相传热速正的温度梯度下，相界面的推移速度受固相传热

35、速度控制。度控制。 晶体的生长以接近平面状向前推移，其晶体的生长以接近平面状向前推移，其形态形态与界面与界面的微观结构有关。的微观结构有关。图5-13 在正的温度梯度下观察到的两种界面形态(a) 台阶状（光滑界面结构的晶体） (b) 平面状（粗糙界面结构的晶体）液液固固界面Tm等温面TmTm距离距离温度温度(a)(b)1） 光滑界面结构的晶体光滑界面结构的晶体 生长形态呈生长形态呈台阶状台阶状，组成台阶的平面是晶体的一定晶面。，组成台阶的平面是晶体的一定晶面。2）粗糙界面结构的晶体）粗糙界面结构的晶体 生长形态呈生长形态呈平面状平面状。(1) 光滑界面结构的晶体光滑界面结构的晶体，生长形态呈台

36、阶状，组，生长形态呈台阶状，组成台阶的平面是晶体的一定晶面。液成台阶的平面是晶体的一定晶面。液-固界面自固界面自左向右推移，虽与等温面平行，但小平面却与左向右推移，虽与等温面平行，但小平面却与熔液等温面呈一定的角度。熔液等温面呈一定的角度。(2) 粗糙界面结构的晶体粗糙界面结构的晶体，其生长形态呈平面状，其生长形态呈平面状，界面与液相等温而平行。界面与液相等温而平行。The two interface morphologies observed in pure metals with a positive gradient. （a）The faceted interface; (b) the

37、non-faceted or planar interface. （2）负温度梯度下纯金属结晶的树枝状生长）负温度梯度下纯金属结晶的树枝状生长 在液在液-固界面伸向液体的分枝（沿一定晶向）上又可长固界面伸向液体的分枝（沿一定晶向）上又可长出二次晶枝，在二次晶枝再长出三次晶枝。出二次晶枝，在二次晶枝再长出三次晶枝。 晶体的这种生长方式称为晶体的这种生长方式称为树枝生长树枝生长或或树枝状结晶树枝状结晶。液固树枝状界面树枝晶一次晶轴二次晶轴(a) Supercooling with a negative temperature gradient. (b) Resulting dendritic mo

38、rphology.树枝状晶体长大示意图树枝状晶体长大示意图 树枝状生长时，伸展的树枝状生长时，伸展的晶枝轴的晶体取向与其晶体结晶枝轴的晶体取向与其晶体结构类型有关构类型有关，例如：，例如： 面心立方和体心立方面心立方和体心立方 体心四方体心四方 密排六方密排六方 0110钢锭中的树枝状晶体5.5 凝固理论的应用凝固理论的应用 5.5.1 细化晶粒细化晶粒 金属材料的晶粒大小对材料的性能有重要的影响。金属材料的晶粒大小对材料的性能有重要的影响。 如：强度、硬度、塑性和韧性都随着晶粒细化而提高。如：强度、硬度、塑性和韧性都随着晶粒细化而提高。 （1）晶粒度）晶粒度 晶粒度：晶粒度：用于描述晶粒大小

39、的参数用于描述晶粒大小的参数 。 常用的常用的表示方法表示方法：单位体积的晶粒数目（：单位体积的晶粒数目（ZV） 单位面积内的晶粒数目（单位面积内的晶粒数目（ZS） 晶粒的平均线长度（或直径）晶粒的平均线长度（或直径） 八级标准晶粒图八级标准晶粒图 金属结晶时，每个晶核长大成一个晶粒。金属结晶时，每个晶核长大成一个晶粒。 晶粒大小取决于形核率和长大速率的相对大小晶粒大小取决于形核率和长大速率的相对大小。 形核率越大，单位体积中的晶核数目越多，每个晶形核率越大，单位体积中的晶核数目越多，每个晶核的长大余地越小，因而最后长成的晶粒越细小；核的长大余地越小，因而最后长成的晶粒越细小； 长大速度越慢，

40、长大过程中形成的晶核越多，因而长大速度越慢，长大过程中形成的晶核越多，因而晶粒越细小。晶粒越细小。 形核率越小，长大速度越快，晶粒越粗大。形核率越小，长大速度越快，晶粒越粗大。因此，因此，晶粒度取决于形核率晶粒度取决于形核率N与长大速度与长大速度G之比之比， 单位体积中的晶粒数目单位体积中的晶粒数目ZV为：为： 439 . 0GNZV单位面积中的晶粒数目单位面积中的晶粒数目ZS为：为： 211 . 1GNZs 凡能凡能促进形核促进形核，抑制长大抑制长大的因素，都能的因素，都能细化晶粒细化晶粒； 凡能凡能抑制形核抑制形核，促进长大促进长大的因素，都使的因素，都使晶粒粗化晶粒粗化。 （2）控制晶粒

41、度的方法）控制晶粒度的方法 1）控制过冷度）控制过冷度 随着过冷度的增大，形核率和长大速率变化不相同。随着过冷度的增大，形核率和长大速率变化不相同。 过冷度过冷度，N/G，因而晶粒，因而晶粒。 所以可以所以可以通过增大过冷度来细化晶粒通过增大过冷度来细化晶粒。 图5-15 金属结晶时的形核率、长大速度以及获得的晶粒大小与过冷度的关系NGG，NTmTT 增加过冷度主要是通过增加过冷度主要是通过提高液体金属的冷却提高液体金属的冷却速度和过冷能力速度和过冷能力来实现。来实现。 在铸造中可以用金属型铸造代替砂型铸造，在铸造中可以用金属型铸造代替砂型铸造，以以提高散热导热能力。提高散热导热能力。 另外采

42、用提高金属冶炼温度，降低浇注温度和另外采用提高金属冶炼温度，降低浇注温度和慢速浇注等措施，以慢速浇注等措施，以提高铸件的冷却速度提高铸件的冷却速度，获得，获得较大的过冷度。较大的过冷度。 增加过冷度增加过冷度适用适用于小件或薄件。于小件或薄件。2）化学变质处理）化学变质处理 变质处理变质处理（modification）：在液态金属中加入某些物）：在液态金属中加入某些物质（称质（称变质剂变质剂），使其在金属液中形成大量的固体质点，），使其在金属液中形成大量的固体质点，起非自发形核的作用。起非自发形核的作用。 变质处理变质处理促进形核促进形核，抑制长大抑制长大，从而达到，从而达到细化晶粒细化晶粒，改，改善性能的目的。善性能的目的。 例例：在铝或铝合金中加入微量钛；：在铝或铝合金中加入微量钛； 在钢中加入微量钛、铝等。在钢中加入微量钛、铝等。 AlMg合金没有变质处理晶粒合金没有变质处理晶粒