第四讲金属结晶的现象及条件

1、第四讲 金属结晶的现象及条件第一节 金属结晶的现象一、 主要内容：金属结晶的宏观现象金属结晶的微观现象二、 要点：金属结晶的热分析曲线，热分析法，过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的热分析曲线分析，金属结晶的微观过程分析，形核，晶核长大。三、 方法说明：首先介绍热分析法，说明热分析曲线，介绍金属的热分析曲线的特征，说明过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的微观现象，可举例说明晶核的形成和长大的过程，如窗花，盐，冰，植物等增加学生的感性认识和对形核、长大的理解。授课内容：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。一

2、、 金属结晶过程中的宏观现象热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却，用XY记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。如图 图1 热分析实验装置示意图 图2 纯金属的冷却曲线2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化曲线。3、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固 温度Tm的现象。4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即 TTm-Tn。结晶潜热：金属熔化时从固态转变为液态需要吸收热量，而结晶时从液态转化为固态要放出热量，前者叫熔化潜热，后者叫结晶潜热。二、 金属结晶的微观

3、过程金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。第二节 金属结晶的热力学条件第三节 金属结晶的结构条件一、 主要内容：金属结晶的驱动力和热力学条件结构起伏的概念二、 要点：热力学第二定律，物质系统，自发过程，熵的概念，金属结晶过程液固两相自由能之差的推导， 液相、固相自由能随温度变化示意图晶胚，晶核，近程有序，远程有序，液态金属的结构，液态金属中不同尺寸结构起伏出现的几率，最大结构起伏尺寸与过冷度的关系三、 方法说明：熵，物质系统，自发过程等概念较抽象，打比方形象的说明有利于学生的理解。用液态金属的宏观特性解释液态金属的微观结构，解释金属结晶的微观过程，讲清晶胚，晶核等概念及影响因素，说明金属

4、结晶的结构条件授课内容：第二节 金属结晶的热力学条件热力学第二定律：在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。自由能G用下式表示： G=H-TS， 式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得 dG Vdp SdT。 在等压时，dp=0，故上式简化为： dG SdT。由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。 图3 自由能随温度变化的示意图纯晶体的液、固两相的自由能随温度变化规律如图所示。这样，两条斜率不同的曲线必然相交于一点，该点表示液、固两相的自由能相等，故两相处于平衡而共存，此温度即为理论凝固温度，也就是晶体的熔点Tm。事实上，在此两相共存温度，既不能完全结晶，也不能完

5、全熔化，要发生结晶则体系必须降至低于Tm温度，而发生熔化则必须高于Tm。 在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为 GV=GLGSHLTSL(HSTSS)（HLHS）T（SLSS）LmHLHS 为熔化潜热。当结晶温度TTm时，GV0，即LmT（SLSS）TS当TTm时，由于S的变化很小，可视为常数，得出 GVLmTLm/TmLm（1T/Tm）LmT/Tm式中，T=Tm-T，是熔点Tm与实际凝固温度T之差。 由上式可知，要使 Gv0，必须使 T0，即 TTm，故T称为过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm，即需要有过冷度。 第三节 金属结晶的结构条件液态金属的结构：（介绍说明）结构起伏（相起伏）：液态金属中的这种近程有序的原子集团，处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态，这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或相起伏。相起伏的