材料科学基础3 金属结晶)

1、第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 金属原子由短程有序变为长程有序的过程。金属原子由短程有序变为长程有序的过程。 为何研究结晶为何研究结晶: 结晶时，希望获得均匀细小的晶粒结晶时，希望获得均匀细小的晶粒 强度、硬度高，塑性、韧性好。强度、硬度高，塑性、韧性好。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 为何研究结晶为何研究结晶: a. a.金属生产：金属生产： 熔炼熔炼浇注浇注结晶结晶其它加工。其它加工

2、。 b.b.结晶后组织（原始组织）影响：结晶后组织（原始组织）影响： 加工性能。加工性能。 使用性能。使用性能。 c.c.晶体缺陷：在结晶过程中产生。晶体缺陷：在结晶过程中产生。 d.d.为掌握合金结晶打基础为掌握合金结晶打基础 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.13.1纯金属结晶的过程纯金属结晶的过程 .1液态金属的结构液态金属的结构 液体金属结构理论认为，液体中原子堆集是液体金属结构理论认为，液体中原子堆集是密集的，但大范围原子排列不是规则的。密集的，但大范围原子排列不是规则的。 从局部微小区域来看，原子可以偶然地在某一从局部微小区域来看，原子可

3、以偶然地在某一瞬间内出现规则的排列，然后又散开。这种现象瞬间内出现规则的排列，然后又散开。这种现象称为称为“近程有序近程有序”。 这些大小不一的近程有序排列的此起彼伏（这些大小不一的近程有序排列的此起彼伏（结结构起伏构起伏）就构成了液体金属的动态图像。）就构成了液体金属的动态图像。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.13.1纯金属结晶的过程纯金属结晶的过程 .1液态金属的结构液态金属的结构 局部微小区域内，原子偶然地在某一瞬间内局部微小区域内，原子偶然地在某一瞬间内出现规则的排列，然后又散开的现象导致了出现规则的排列，然后又散开的现象导致了-液液态金属

4、中原子集团的态金属中原子集团的“近程有序近程有序” 这种近程有序的原子集团就是晶胚。这种近程有序的原子集团就是晶胚。 在具备一定条件时，大于一定尺寸的晶胚就在具备一定条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成为可以长大的晶核。会成为可以长大的晶核。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） .2纯金属结晶的过程的宏观现象。纯金属结晶的过程的宏观现象。 1过冷现象过冷现象 过冷度过冷度:T= Tm Tn Tm :金属的理论结晶温度。金属的理论结晶温度。液液固共存温度。固共存温度。 Tm -理论结晶温度理论结晶温度; Tn -实际结晶温度。实际结晶温度。 结论结论:金属结晶须过

5、冷，且冷速愈快，则金属结晶须过冷，且冷速愈快，则T越大越大Tn越低。越低。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.13.1纯金属结晶的过程纯金属结晶的过程 3.1.2结晶过程的的宏观现象。结晶过程的的宏观现象。 2.放出结晶潜热。放出结晶潜热。 结晶放热使冷却曲线结晶放热使冷却曲线产生平台。产生平台。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.1纯金属结晶的过程纯金属结晶的过程 3.1.3金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程 两个过程：形核、长大两个过程：形核、长大 v形核：液态金属内部形成极小的晶体（晶核）。形核：液态金属内部形成极小的晶体（晶核）。

6、 v长大：原子向晶核有序靠拢，形成较大晶体长大：原子向晶核有序靠拢，形成较大晶体长长程有序。程有序。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.1纯金属结晶的过程纯金属结晶的过程 3.1.3金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程 *第一批晶核形成、长大的同时，又出现第二第一批晶核形成、长大的同时，又出现第二批批 形核长大交替进行。形核长大交替进行。 *由于各晶核空间位向不同，结晶后每一个晶粒由于各晶核空间位向不同，结晶后每一个晶粒位向不同位向不同多晶体。多晶体。 一个晶核可长成一个晶粒。因此，晶核越多，一个晶核可长成一个晶粒。因此，晶核越多，结晶后晶粒越细。结晶后晶粒越细。第

7、三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.2金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 结晶为何需过冷？结晶为何需过冷？提供热力学条件。提供热力学条件。 热力学第二定律：在等温等压下，任何自发热力学第二定律：在等温等压下，任何自发进行的过程都是向自由能降低的方向进行。进行的过程都是向自由能降低的方向进行。结晶：高能结晶：高能低能。低能。VSLG =GG0 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 32金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 为何有如此的能量变化曲线？为何有如此的能量变化曲线？推导结晶为何需要过冷推导结晶为何需要过冷 G=HG=HTSTS体系自由

8、能体系自由能热焓热焓熵熵(表示原子排列混乱程度表示原子排列混乱程度)0LLLSSSmLSVSLGHT SGHT STTGGGGG 在时， 无驱动力第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 32金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 单位体积自由能变化：单位体积自由能变化：推导结晶为何需要过冷推导结晶为何需要过冷 mmSLT VSLSLSLG =GG =(HH ) T(SS ) mmLS=-LT S L =HH 其中熔化潜热：mm-L = TS 0mLSVTTGGG在时， 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3 32 2金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学

9、条件 mmmmmTTT=-L = -LTT在在TTm 时时mVmmmLG = -LT S = -L + TT mVmLTGTmmSLT VSLmmLSG =GG =-LT S L =HH 其中熔化潜热：第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 32金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 当当T=0T=0时，时，GGV V=0 =0 即不结晶也不熔化即不结晶也不熔化 当当TT0 0时，时，GGV V0 0，才有驱动力才结晶。，才有驱动力才结晶。 T T，GGV V越负，越负，结晶驱动力越大，结晶结晶驱动力越大，结晶越易进行。越易进行。 结论：结论： 金属结晶需要过冷。金属结晶需

10、要过冷。mVmLTGT第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 33形核规律形核规律 形核：（有以下两种形核方式）形核：（有以下两种形核方式） v均匀形核（自发形核，均质形核）：均匀形核（自发形核，均质形核）： 在在TT下，依靠金属自身形核。下，依靠金属自身形核。 v非均匀形核（非自发形核，异质形核）：非均匀形核（非自发形核，异质形核）： 液态金属依附在已存在的固相质点上形核。液态金属依附在已存在的固相质点上形核。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3 33 3形核规律形核规律 .1均匀形核均匀形核 1形核时能量变化和临界晶核半径。形核时能

11、量变化和临界晶核半径。 液态金属中存在晶胚：几个液态金属中存在晶胚：几个-几百个原子有序排几百个原子有序排列。列。 结构起伏（相起伏）：结构起伏（相起伏）： 晶胚时聚时散，时隐晶胚时聚时散，时隐时现的现象。时现的现象。 随随T，晶胚尺寸增大。晶胚尺寸增大。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3形核规律形核规律 3.3.1均匀形核均匀形核 1.形核时能量变化和临界晶核半径。形核时能量变化和临界晶核半径。 多大尺寸晶胚可作为晶核长大呢？多大尺寸晶胚可作为晶核长大呢？ 在在TT下，假设：晶核为球形，半径为下，假设：晶核为球形，半径为r r，则有，则有 系统总自由能变化：系统

12、总自由能变化： G=VG=VGGV V +A +A A-A-表面积表面积 ， - -比表面能比表面能 GGV V=G=GS S-G-GL L00 0 （结晶阻力）（结晶阻力） 随晶核长大，表面能上升。随晶核长大，表面能上升。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 33形核规律形核规律 3.3.1均匀形核均匀形核 1形核时能量变化和临界晶核半径。形核时能量变化和临界晶核半径。 对球形晶核，由对球形晶核，由G=VG=VGGV V+A+A可得可得32443VGrGr 设设r r* *为临界晶核半径为临界晶核半径。 当当rr*，晶胚长大使，晶胚长大使G，形，形核。核。 在在r=r*

13、时，时，G极大极大G* 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.1均匀形核均匀形核1.形核时能量和临界晶核半径。形核时能量和临界晶核半径。 在在r=r*时，时，G极大值极大值G*，则有，则有 又因为又因为 所以所以 *2*2480Vr rVdGrGrdrGr得*21mmTL TTrr 即 mVmL TGT第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） .1均匀形核均匀形核 1.1.形核时能量和临界晶核半径。形核时能量和临界晶核半径。 *21mmTL TTrr 即 T,rT,r* *,小尺寸的晶胚即可作为晶核而长大。小尺寸的晶胚即可作为晶核而长

14、大。 T，r*，晶核数目越多，结晶后晶粒越细。，晶核数目越多，结晶后晶粒越细。设设T*为临界过冷度：为临界过冷度： 当当TT*, rmaxT*, rmaxr* -结晶结晶 纯净金属：纯净金属：T*=0.2Tm 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） .1均匀形核均匀形核 2 2形核功：形核功： G*-形核阻力，形核时需补偿的能量。形核阻力，形核时需补偿的能量。 将将 代入代入G=VG=VGGV V+A+A中，中， 则则 *2VrG*322*2*422()4 ()34211()4333VVVVGGGGrAG*13GA第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝

15、固（结晶） 3.3.1均匀形核均匀形核 2形核功：形核功： 上式的意义是：上式的意义是： 在在r=rr=r* *时，液体金属凝固时，液体金属凝固形核时体形核时体积自由能积自由能的下降只能补偿表面能的的下降只能补偿表面能的2/32/3。还有还有1/31/3还需外还需外部提供部提供 依靠能量起伏依靠能量起伏*13GA第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） .1均匀形核均匀形核 2 2形核功：形核功： 能量起伏：液态金属微区内，自由能偏离平衡能量起伏：液态金属微区内，自由能偏离平衡能量的现象。依靠能量起伏来补偿形核功。能量的现象。依靠能量起伏来补偿形核功。 G*-T

16、关系关系 因为因为 所以所以 T，G*-形核阻力减小形核阻力减小*2mmTL Tr*2221144 ()33mmTGrL T322163()mmTLT*21GT*13GA第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3 33 3形核规律形核规律 .1均匀形核均匀形核 形核条件形核条件总结总结： 必须过冷：提供驱动力必须过冷：提供驱动力 TT，GGV V (驱动力驱动力)，r r* *,G,G* * 需结构起伏：提供晶胚。需结构起伏：提供晶胚。 需能量起伏：补偿形核功。需能量起伏：补偿形核功。需要成分起伏需要成分起伏(非纯金属非纯金属)。第三章：纯金属的凝固（结晶）第

17、三章：纯金属的凝固（结晶） 3.33.3形核规律形核规律 .1均匀形核均匀形核 3.3.形核率：形核率： （1）概念：指单位时间、单位体积液相中所形成）概念：指单位时间、单位体积液相中所形成的晶核数目的晶核数目,用用N表示。表示。 N，结晶后晶粒越细，力，结晶后晶粒越细，力学性能越好学性能越好。 （2）形核率与过冷度的关系）形核率与过冷度的关系 N受两个矛盾的因素控制受两个矛盾的因素控制 表达式：表达式：N=N1N2 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.1均匀形核（均匀形核（2）形核率与过冷度的关系）形核率与过冷度的关系 N N受两个矛盾的因素控制

18、受两个矛盾的因素控制 表达式：表达式：N=NN=N1 1N N2 2N N1 1为受形核功影响的形核率因子；为受形核功影响的形核率因子；N N2 2为受扩散影响的形核率因子。为受扩散影响的形核率因子。*12GQRTRTN N NKee第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.1均匀形核（均匀形核（2）形核率与过冷度的关系）形核率与过冷度的关系 随随TT，r r* *,G,G* * ， r rmaxmax,N,N1 1 随随T,原子扩散困难，原子扩散困难，N2,*1211GQRTRTQGRTRTNN NKeeKee第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）

19、33形核规律形核规律 3.3.1均匀形核均匀形核 TT很小时：很小时： r*大，大，GG* *大，大，难于形核难于形核 TT特大时：原子不能扩散，不结晶，非晶态特大时：原子不能扩散，不结晶，非晶态（冷速（冷速10107/s） （N-N-TT的虚线部分很难达到：只有金属液滴骤的虚线部分很难达到：只有金属液滴骤冷时才能达到）冷时才能达到） 可以说，可以说，T越大，越大，形核率越高，结晶后形核率越高，结晶后晶粒越细。增大过冷晶粒越细。增大过冷度可细化晶粒。度可细化晶粒。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.33.3形核规律形核规律 .2非均匀形核非均匀形核 实

20、际金属结晶形核实际金属结晶形核, ,多为非均匀形核多为非均匀形核 液态金属中存在高熔点杂质（可作为异液态金属中存在高熔点杂质（可作为异质晶核）质晶核） 液态金属与铸锭模壁接触。液态金属与铸锭模壁接触。 特点：特点： 所需过冷度低。所需过冷度低。 在在T相同时，形核率高，结晶后晶粒细小。相同时，形核率高，结晶后晶粒细小。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 G=VGV +A 假设在平面基底（假设在平面基底（W W）上形成球冠晶核）上形成球冠晶核,晶核晶核形成时，增加的表面能为形成时，增加的表面能

21、为： 分别为晶核与液相、晶核与分别为晶核与液相、晶核与基底、液相与基底间的比表面能。基底、液相与基底间的比表面能。 SLLWWWWG =A+AALLWWL、：第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 表面张力在交点处平衡：表面张力在交点处平衡：式中：式中：-晶核与基底晶核与基底W W接触角（润湿角）；接触角（润湿角）； r-r-晶核半径。晶核半径。 WWLcosL第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3 33 3形核规律形核规律 3 33 32 2非均匀形核非均匀形核 1临界晶

22、核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 采用曲面积分求出球冠表面积：采用曲面积分求出球冠表面积：A ALL=2=2r r2 2(1-cos)(1-cos)晶核与基底接触面积：晶核与基底接触面积：A AWW=R R2 2 R=rsin R=rsin三重积分求出球冠体积：三重积分求出球冠体积：332 3coscos()3Vr第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 在平面基底（在平面基底（W W）上形成球冠晶核）上形成球冠晶核时时, ,在系统在系统总自由能变化中增加的表面能部分为总自由能变化中增加的表

23、面能部分为: :LLWWLW=A+A() LWL=(AAcos ) 2Lr3（2-3cos +cos ）SLLWWWLWG =A+AAWWLcosLSLLWG =AAcosL222L2(1 cos )sincos rr 系统总自由能变化系统总自由能变化G=VG=VGGV V +G +GS S第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 在平面基底（在平面基底（W W）上形成球冠晶核）上形成球冠晶核时时, ,系统总系统总自由能变化：自由能变化： G=VG=VGGV V+G+GS S 其中其中: :332

24、3coscos()3Vr2SLGr3（2-3cos +cos ）332L2 3coscosG()3VrGr 3非（2-3cos +cos ）332L42 3coscosG4()34VrGr 非（）32 3coscosGG ()4非均第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） .2非均匀形核非均匀形核 1.1.临界晶核半径与形核功。临界晶核半径与形核功。 讨论：讨论： GG非非GG均均32 3coscosGG ()4非均32 3coscos14第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。临界晶核

25、半径与形核功。 同样取：同样取： 得：得： 由此可导出非均匀形核形核功：由此可导出非均匀形核形核功：*0r rd Gdr*2VGr 非3* 212 3coscosG4()34r*非非32 3coscosGG ()4*非均第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 33形核规律形核规律 332非均匀形核非均匀形核 讨论：讨论： 非均匀形核所需晶胚体积小，小尺寸的相起非均匀形核所需晶胚体积小，小尺寸的相起伏（晶胚）可作为晶核。伏（晶胚）可作为晶核。 非均匀形核形核阻力小，易形核。非均匀形核形核阻力小，易形核。 32 3coscosGG ()4*非均第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：

26、纯金属的凝固（结晶） 3.3.2非均匀形核非均匀形核 浸润角对形核影响浸润角对形核影响32 3coscosGG ()4*非均第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 332非均匀形核非均匀形核 浸润角对形核影响浸润角对形核影响 晶核在固相质点上直接长大。晶核在固相质点上直接长大。 32 3coscosGG ()4*非均180GGo *非均0G0o*非G*非越小，越小，固相质点不起作用。固相质点不起作用。 临界晶核体积越小，临界晶核体积越小，N N越高。越高。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 332非均匀形核非均匀形核 浸润角对形核影响浸润角对形核影响满

27、足满足 小的条件：小的条件： 固相质点与晶核晶体结构相同或相近固相质点与晶核晶体结构相同或相近 固态质点与晶核原子尺寸相近固态质点与晶核原子尺寸相近( (共格共格) )。 满足上述条件的质点称变质剂（孕育剂、人工满足上述条件的质点称变质剂（孕育剂、人工晶核）。晶核）。 * *在金属结晶时，有意加入一些变质剂，以达到在金属结晶时，有意加入一些变质剂，以达到细化晶粒的目的细化晶粒的目的变质处理。变质处理。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.3形核规律形核规律 3.3.2非均匀形核非均匀形核 非均匀形核所需过冷度很小。非均匀形核所需过冷度很小。 32*2163()mmTGL

28、T均*21GT均3212 3coscosG()4T*非32 3coscosGG ()4*非均*0.02mTT非总结金属结晶条件：总结金属结晶条件： a.a.需过冷：提供驱动力。需过冷：提供驱动力。 b.b.需结构起伏：提供晶胚。需结构起伏：提供晶胚。 c.c.需能量起伏：补偿形核功需能量起伏：补偿形核功第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长大规律长大规律 晶核长大是液态原子向固相迁移扩散的过程晶核长大是液态原子向固相迁移扩散的过程 决定晶体长大方式和形态的因素：决定晶体长大方式和形态的因素： 液液-固界面的微观结构。固界面的微观结构。 液液-固界面前沿温度梯度

29、。固界面前沿温度梯度。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 3.4.1液液-固界面的微观结构固界面的微观结构 晶核长大是液晶核长大是液-固界面两侧原子迁移的过程。固界面两侧原子迁移的过程。 界面的微观结构会影响晶核的长大方式。界面的微观结构会影响晶核的长大方式。 液液-固界面按微观结构可分为两种，即光滑界面固界面按微观结构可分为两种，即光滑界面和粗糙界面。和粗糙界面。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 .1液液-固界面的微观结构固界面的微观结构 液液-固界面按

30、微观结构固界面按微观结构: :光滑界面和粗糙界面光滑界面和粗糙界面 光滑界面光滑界面:在界面处固液两相截然分开在界面处固液两相截然分开 光滑界面光滑界面固相表面为基本完整的原子密排面，固相表面为基本完整的原子密排面，所以从微观来看界面是光滑的。从宏观上看，它所以从微观来看界面是光滑的。从宏观上看，它往往是由若干曲折的小平面组成，是不平整的，往往是由若干曲折的小平面组成，是不平整的，因此光滑界面又称小平面界面。因此光滑界面又称小平面界面。 微观微观宏观宏观第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长大规律长大规律 .1液液-固界面的微观结构固界面的微观

31、结构 液液-固界面按微观结构固界面按微观结构:光滑界面和粗糙界面。光滑界面和粗糙界面。 粗糙界面粗糙界面:在微观上高低不平，存在厚度为几在微观上高低不平，存在厚度为几个原子间距的过渡层的液个原子间距的过渡层的液-固界面。固界面。 这种界面在微观上是粗糙的。但由于界面很薄，这种界面在微观上是粗糙的。但由于界面很薄，所以从宏观上看，界面反而是平整光滑的。这种所以从宏观上看，界面反而是平整光滑的。这种界面又称非小平面界面。界面又称非小平面界面。微观微观宏观宏观第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.4长大规律长大规律 3.4.1液液-固界面的微观结构固界面的微观结构 总结：总结

32、：1.1.光滑界面：光滑界面： 微观上：液微观上：液- -固相界分开，固相表面为光滑密排固相界分开，固相表面为光滑密排宏观上：曲折小平面组成。宏观上：曲折小平面组成。小平面界面。小平面界面。 2.粗糙界面：粗糙界面： 微观上：原子在界面上排列高低不同。微观上：原子在界面上排列高低不同。粗糙粗糙 宏观上：界面平整宏观上：界面平整非小平面界面。非小平面界面。 金属液金属液-固界面的微观结构都为粗糙界面固界面的微观结构都为粗糙界面, 亚金亚金属（属（Sn、Sb、Si）、非金属以及金属化合物多为）、非金属以及金属化合物多为光滑界面。光滑界面。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.

33、43.4晶核长大规律晶核长大规律 3.4.2晶核的长大机制晶核的长大机制 晶核长大也需要过冷度。长大所需的界面过冷晶核长大也需要过冷度。长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度，用度被称为动态过冷度，用T Tk k表示。表示。 具有光滑界面的物质，其具有光滑界面的物质，其Tk约为约为12。具有。具有粗糙界面的物质，其粗糙界面的物质，其 Tk仅为仅为0.01 0.05。 这说明不同类型的界面，其长大机制不同。这说明不同类型的界面，其长大机制不同。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 .2晶核的长大机制晶核的长大机制 1.1.具有

34、粗糙界面的物质的长大机制具有粗糙界面的物质的长大机制 具有粗糙界面的物质，界面上有一半的结晶位具有粗糙界面的物质，界面上有一半的结晶位置空着，液相中的原子可直接迁移到这些位置使置空着，液相中的原子可直接迁移到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。这种长晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。这种长大方式叫垂直长大。大方式叫垂直长大。 垂直长大时生长速度很快。垂直长大时生长速度很快。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.43.4长大规律长大规律 .2晶核的长大机制晶核的长大机制 2.具有光滑具有光滑界面的物质的界面的物质的两种两种长大长大机制机制。光滑界

35、面（光滑界面（1 1）二维晶核长大）二维晶核长大 （2 2）螺位错长大）螺位错长大第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 .2晶核的长大机制晶核的长大机制 2具有光滑界面的物质的长大机制具有光滑界面的物质的长大机制 具有光滑界面的物质长大机制有以下两种。具有光滑界面的物质长大机制有以下两种。（1）界面上反复形成二维晶核的机制）界面上反复形成二维晶核的机制 这种方式，每增加一个原这种方式，每增加一个原子层都需形成一个二维晶核，子层都需形成一个二维晶核，然后侧向铺展至整个表面。然后侧向铺展至整个表面。形成二维晶核需要形核功，形成

36、二维晶核需要形核功，这种机制下晶体长大速率很这种机制下晶体长大速率很慢。慢。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 .2晶核的长大机制晶核的长大机制2.2.具有光滑界面的物质的长大机制具有光滑界面的物质的长大机制（2）依靠晶体缺陷长大）依靠晶体缺陷长大 液体中的原子不断添加到晶体缺陷的台阶上使液体中的原子不断添加到晶体缺陷的台阶上使晶体长大。晶体长大。 如可沿螺型位错的露头形成如可沿螺型位错的露头形成的台阶不断添加原子，没有的台阶不断添加原子，没有能量障碍。但界面上提供的能量障碍。但界面上提供的可添加原子的位置有限，在可添加

37、原子的位置有限，在这种机制下，晶体生长速率这种机制下，晶体生长速率也很小。也很小。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长大规律长大规律 3.4.3纯金属生长的界面形态纯金属生长的界面形态 决定纯金属生长的界面形态的因素有：决定纯金属生长的界面形态的因素有： 液液- -固界面的微观结构。固界面的微观结构。 液液- -固界面前沿温度梯度。固界面前沿温度梯度。 按温度梯度分为正温度梯度和负温度梯度对按温度梯度分为正温度梯度和负温度梯度对纯金属生长的界面形态进行分析。纯金属生长的界面形态进行分析。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长

38、大规律长大规律 3.4.3纯金属生长的界面形态纯金属生长的界面形态 1.1.在正的温度梯度下在正的温度梯度下 正温度梯度正温度梯度( dT/dx0)下，结晶潜热只能通过下，结晶潜热只能通过固相散出，界面推移速度受到固相传热速度的控固相散出，界面推移速度受到固相传热速度的控制。晶体生长以平面状向前推进。制。晶体生长以平面状向前推进。 晶体的生长形态，按界面类型有两种情况。晶体的生长形态，按界面类型有两种情况。 1）粗糙界面）粗糙界面 2）光滑界面）光滑界面第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长大规律长大规律 .3纯金属生长的界面形态纯金属生长的界

39、面形态 1.1.在正的温度梯度下在正的温度梯度下 1）粗糙界面时）粗糙界面时 当界面上有偶尔凸起而进入温度较高的液体当界面上有偶尔凸起而进入温度较高的液体中时，因过冷度下降晶体生长速度就会减慢甚中时，因过冷度下降晶体生长速度就会减慢甚至停止，周围部分会长上来使凸起消失，固液至停止，周围部分会长上来使凸起消失，固液界面为稳定的平面状。界面为稳定的平面状。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.43.4长大规律长大规律 3.4.3纯金属生长的界面形态纯金属生长的界面形态 1.1.在正的温度梯度下在正的温度梯度下 2）光滑界面时）光滑界面时 光滑界面生长时，原子必须通过台阶的侧

40、向而光滑界面生长时，原子必须通过台阶的侧向而扩展，所以界面是台阶状，小平面与扩展，所以界面是台阶状，小平面与T Tm m等温面呈一等温面呈一定角度。在定角度。在dT/dxdT/dx0 0时，这些小平面也不能过多时，这些小平面也不能过多地凸向液体，所以界面从宏观上看也是平行于地凸向液体，所以界面从宏观上看也是平行于T Tm m等等温面的。温面的。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）3.43.4晶核长大规律晶核长大规律 .3纯金属生长的界面形态纯金属生长的界面形态 2.在负的温度梯度下在负的温度梯度下 液、固两相均散热，结晶潜热向液、固两侧散失液、固两相均散热，

41、结晶潜热向液、固两侧散失 界面以树枝方式长大。界面以树枝方式长大。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）2.在负温度梯度下在负温度梯度下 (1)界面以树枝方式长大。界面以树枝方式长大。 以二次晶轴、三次晶轴方式生长的树枝状结晶。以二次晶轴、三次晶轴方式生长的树枝状结晶。热，使液相中垂直于晶轴热，使液相中垂直于晶轴的方向又产生负温度梯度，的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次这样晶轴上又会产生二次晶轴。晶轴。同理二次晶轴上又同理二次晶轴上又会长出三次晶轴等等这种会长出三次晶轴等等这种生长方式称为树枝状生长。生长方式称为树枝状生长。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金

42、属的凝固（结晶）2.在负温度梯度下在负温度梯度下 (1)界面以树枝方式长大。界面以树枝方式长大。 如界面某处偶然伸入液相，则进入了如界面某处偶然伸入液相，则进入了T更大的更大的区域，可以更大的速率生长，伸入液相中形成一区域，可以更大的速率生长，伸入液相中形成一个晶轴。个晶轴。由于晶轴结晶时向两侧液相中放出潜由于晶轴结晶时向两侧液相中放出潜 树枝生长时，伸展的晶轴具有一定的晶体取向。树枝生长时，伸展的晶轴具有一定的晶体取向。例如面心立方为例如面心立方为；体心立方；体心立方。 树枝状生长在粗糙界面的物质中最明显，在光树枝状生长在粗糙界面的物质中最明显，在光滑界面物质中往往不甚明显。滑界面物质中往往

43、不甚明显。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）2.在负温度梯度下在负温度梯度下 (1)界面以树枝方式长大。界面以树枝方式长大。 .凝固没完成凝固没完成时，倒掉液体，时，倒掉液体，可见树枝。可见树枝。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶）2.在负温度梯度下在负温度梯度下 (1)粗糙界面粗糙界面 以树枝方式长大。以树枝方式长大。 . .最后凝固的金属将树枝空隙填满，使每个枝最后凝固的金属将树枝空隙填满，使每个枝晶成为一个晶粒晶成为一个晶粒, ,看不到树枝。看不到树枝。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 35结晶理论的某些实际应用结晶理论的

44、某些实际应用 根据形核理论：根据形核理论： 若只形成一个晶核：获得单晶。若只形成一个晶核：获得单晶。 若增大形核率：使晶粒细化。若增大形核率：使晶粒细化。 若增大冷速，抑制形核若增大冷速，抑制形核, ,获得非晶体。获得非晶体。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.5结晶理论的某些实际应用结晶理论的某些实际应用 3.5.1细化铸件晶粒的方法细化铸件晶粒的方法 晶粒细，则强度高，硬度高、塑性好、韧性好。晶粒细，则强度高，硬度高、塑性好、韧性好。 细晶强化：通过细化晶粒使材料强度提高的方法。细晶强化：通过细化晶粒使材料强度提高的方法。 1 1增大过冷度。增大过冷度。 TT，

45、r r* *, G, G* *,N ,N 实现方法：增大铸件的冷却速度实现方法：增大铸件的冷却速度 例：金属型铸造、壁厚处加冷铁、水冷铸模、例：金属型铸造、壁厚处加冷铁、水冷铸模、低温浇注低温浇注 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.53.5结晶理论的应用结晶理论的应用 .1细化铸件晶粒的方法细化铸件晶粒的方法 2.变质处理变质处理 浇注时浇注时,有意向液态金属中加入一些高熔点质点有意向液态金属中加入一些高熔点质点达到细化晶粒的目的，称为变质处理。达到细化晶粒的目的，称为变质处理。 高熔点颗高熔点颗粒粒变质剂变质剂 起到非均匀形核作用，使晶粒细化。起到

46、非均匀形核作用，使晶粒细化。 变质处理中，加入的难熔杂质叫变质剂。变质处理中，加入的难熔杂质叫变质剂。 人工晶核人工晶核: :铸钢中，铸钢中，加加Ti、Zr、V; 铸铁中，加硅铸铁中，加硅-铁或硅铁或硅-钙合金粉钙合金粉; 铝合金中加铝合金中加Na或钠盐。或钠盐。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 332非均匀形核非均匀形核 浸润角对形核影响浸润角对形核影响满足满足 小的条件：小的条件： 固相质点与晶核晶体结构相同或相近固相质点与晶核晶体结构相同或相近 固态质点与晶核原子尺寸相近固态质点与晶核原子尺寸相近( (共格共格) )。 满足上述条件的质点称变质剂（孕育剂、人工满

47、足上述条件的质点称变质剂（孕育剂、人工晶核）。晶核）。 * *在金属结晶时，有意加入一些变质剂，以达到在金属结晶时，有意加入一些变质剂，以达到细化晶粒的目的细化晶粒的目的变质处理。变质处理。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.53.5结晶理论的应用结晶理论的应用 .1细化铸件晶粒的方细化铸件晶粒的方法法 3.3.振动、搅拌振动、搅拌 作用：作用： 提供能量，补充形核功。提供能量，补充形核功。 增大晶核数目。增大晶核数目。 打碎树枝晶方法：机械、电磁、超声打碎树枝晶方法：机械、电磁、超声第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 35结晶理

48、论的某些实际应用结晶理论的某些实际应用 3.5.2、金属铸锭组织、金属铸锭组织宏观组织：三个晶区宏观组织：三个晶区 1.1.铸锭的三晶区铸锭的三晶区 表面细晶区表面细晶区（激冷区）：（激冷区）： 柱状晶区：柱状晶区： 中心等轴晶区中心等轴晶区（晶粒粗大）（晶粒粗大）第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.53.5结晶理论的实际应用结晶理论的实际应用 .2金属铸锭组织金属铸锭组织（1 1）三晶区的形成机理）三晶区的形成机理 表面细晶区：表面细晶区： a.冷速快，过冷度冷速快，过冷度T,N b.模壁作为异质晶核（非均匀形核）所以，模壁作为异质晶核（非均匀形核）

49、所以，表面晶粒细。表面晶粒细。 第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 35结晶理论的实际应用结晶理论的实际应用 3.5.2、金属铸锭组织、金属铸锭组织（1 1）三晶区的形成机理）三晶区的形成机理 柱状晶区：柱状晶区： 垂直与模壁方向散热快，晶体平行于散热方垂直与模壁方向散热快，晶体平行于散热方向长大迅速。向长大迅速。 中心粗大等轴晶体：中心粗大等轴晶体： a.过冷度小，过冷度小，N b.散热无方向，树枝散热无方向，树枝晶可沿各向长大。晶可沿各向长大。 c.非均匀晶核少非均匀晶核少第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.5.2、金属铸锭组织、金属铸锭组织

50、 （2）铸锭组织的控制）铸锭组织的控制 柱状晶性能：各相异性柱状晶性能：各相异性 a.平行于柱状方向性能好平行于柱状方向性能好 b.垂直于柱状方向性能差垂直于柱状方向性能差 c.柱状晶之间聚集杂质柱状晶之间聚集杂质。 汽轮机叶片、导磁材料均希望得到柱状晶。汽轮机叶片、导磁材料均希望得到柱状晶。等轴晶区性能：等轴晶区性能： 各向同性，冷、热加各向同性，冷、热加工性能好。多数机械零工性能好。多数机械零件，希望得等轴晶。件，希望得等轴晶。第三章：纯金属的凝固（结晶）第三章：纯金属的凝固（结晶） 3.5.2、金属铸锭组织（、金属铸锭组织（2）铸锭组织的控制）铸锭组织的控制 有利于获得柱状晶的因素有利于获得柱状晶的因素