纯金属的结晶学习教案

1、会计学1纯金属纯金属(jnsh)的结晶的结晶第一页，共61页。一、结晶(jijng)过程的宏观现象第1页/共60页第二页，共61页。图2-1 热分析装置示意图1电源(dinyun) 2热电偶 3坩埚 4金属5冰水（0） 6恒温器 7电炉第2页/共60页第三页，共61页。图2-2 纯金属结晶时的冷却(lngqu)曲线示意图第3页/共60页第四页，共61页。二、金属结晶的微观(wigun)过程图2-3 纯金属(jnsh)结晶过程示意图第4页/共60页第五页，共61页。第5页/共60页第六页，共61页。第6页/共60页第七页，共61页。第7页/共60页第八页，共61页。第8页/共60页第九页，共61

2、页。图2-6 液体a)、晶体(jngt)b)和液体中的 相起伏c)示意图第9页/共60页第十页，共61页。第10页/共60页第十一页，共61页。第11页/共60页第十二页，共61页。第12页/共60页第十三页，共61页。第13页/共60页第十四页，共61页。一、均 匀 形 核第14页/共60页第十五页，共61页。图2-9 晶粒半径(bnjng)与G的关系（一）形核时的能量(nngling)变化和临界晶核半径第15页/共60页第十六页，共61页。32v +4G=rG4r 3 由于上式第一项即体积自由能随r的立方(lfng)而减小，而第二项即表面能随r的平方而增加，所以当r 增大时，体积自由能的减

3、小比表面能增加得快。但在开始时，表面能项占优势，当r 增加到某一临界尺寸后，体积自由能的减小将占优势。于是在G与r 的关系曲线上出现了一个极大值GK，与之相对应的r 值为rK。（一）形核时的能量变化(binhu)和临界晶核半径第16页/共60页第十七页，共61页。 由图可知，当rrK时，随着晶胚尺寸r 的增大(zn d)，则系统的自由能增加，显然这个过程不能自动进行，这种晶胚不能成为稳定的晶核，而是瞬时形成，又瞬时消失。但当rrK时，则随着晶胚尺寸的增大(zn d)，伴随着系统自由能的降低，这一过程可以自动进行，晶胚可以自发地长大成稳定的晶核，因此它将不再消失。当r=rK时，这种晶胚既可能消失

4、，也可能长大成为稳定的晶核，因此把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临界晶核半径。（一）形核时的能量(nngling)变化和临界晶核半径第17页/共60页第十八页，共61页。 由式可见，形成临界晶核时自由能的变化为正值，且恰好等于临界晶核表面能的13。这表明，形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的23，还有13的表面能没有得到补偿，需要另外供给(gngj)，即需要对形核做功，故称GK为形核功。这一形核功是过冷液体形核时的主要障碍，过冷液体需要一段孕育期才开始结晶的原因正在于此。（二）形核功kkk114S2G =r =33第18页/共60页第十九页，共61页。 形核率是指在单位时间

5、单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm3s-1。形核率对于实际生产十分(shfn)重要，形核率高意味着单位体积内的晶核数目多，结晶结束后可以获得细小晶粒的金属材料。这种金属材料不但强度高，塑性、韧性也好。 （三）形核率第19页/共60页第二十页，共61页。 形核率受两个方面因素的控制(kngzh):一方面是随着过冷度的增加，临界晶核半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；另一方面，无论是临界晶核的形成，还是临界晶核的长大，都必须伴随着液态原子向晶核的扩散迁移，没有液态原子向晶核上的迁移，临界晶核就不可能形成，即使形成了也不可能长大成为稳定晶核。（三）形核率第20页/

6、共60页第二十一页，共61页。二、非均匀(jnyn)形核第21页/共60页第二十二页，共61页。（一）临界(ln ji)晶核半径和形核功图2-14 非均匀形核示意图第22页/共60页第二十三页，共61页。 按照均匀形核求临界(ln ji)晶核半径和形核功的方法，即可求出非均匀形核的临界(ln ji)晶核半径r 和形核功G 。（一）临界(ln ji)晶核半径和形核功KKLLmkvf22 = TrGHT-23k =kL12 3coscos(4 )()34Gr-第23页/共60页第二十四页，共61页。 1过冷度的影响 由于非均匀形核所需的形核功G 很小，因此在较小的过冷度条件(tiojin)下，当均

7、匀形核还微不足道时，非均匀形核就明显开始了。图2-16为均匀形核与非均匀形核的形核率随过冷度变化的比较。（二）形核率K 图2-16 非均匀形核率 （1）与均匀形核率 （2）随过冷度而变化(binhu)的比较第24页/共60页第二十五页，共61页。 2固体杂质结构的影响 非均匀形核的形核功与接触角有关(yugun)，角越小，形核功越小，形核率越高。角的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者之间表面能的相对大小。也就是说，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催化效应就越高。很明显，晶核与固态杂质之间的表面能取决于晶核（晶体）与固态杂质的结构（原子排列的几何形状、原子的大小、原子间的距离等）上的相似程

8、度。（二）形核率第25页/共60页第二十六页，共61页。 两个相互接触的晶面结构越近似，它们(t men)之间的表面能就越小，即使只在接触面的某一个方向上的原子排列配合得比较好，也会使表面能降低一些。这样的条件（结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。（二）形核率第26页/共60页第二十七页，共61页。 3固体杂质形貌的影响 固体杂质表面的形状各种各样，有的呈凸曲面，有的呈凹曲面，还有的为深孔，这些基面具有不同的形核率。例如有三个不同形状的固体杂质，如图2-18所示，形成(xngchng)三个晶核，它们具有相

9、同的曲率半径r和相同的角，但三个晶核的体积却不一样。（二）形核率图2-18 不同(b tn)形状的固体杂质表面形核的晶核体积第27页/共60页第二十八页，共61页。 由此可见，在曲率半径、接触角相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同(b tn)而改变。凹曲面的形核效能最高，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面居中，凸曲面的效能最低。因此，对于相同的固体杂质颗粒，若其表面曲率不同(b tn)，它的催化作用也不同(b tn)，在凹曲面上形核所需过冷度比在平面、凸面上形核所需过冷度都要小。铸型壁上的深孔或裂纹是属于凹曲面情况，在结晶时，这些地方有可能成为促进形核的有效界面。（二）形核率第28

10、页/共60页第二十九页，共61页。 4过热度的影响 过热度是指液态金属温度与金属熔点之差。液态金属的过热度对非均匀形核有很大的影响。当过热度不大时，可能不使现成质点的表面状态有所改变(gibin)，这对非均匀形核没有影响。当过热度较大时，有些质点的表面状态改变(gibin)了，如质点内微裂缝及小孔减少，凹曲面变为平面，使非均匀形核的核心数目减少。当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，这就使非均匀形核转变为均匀形核，形核率大大降低。（二）形核率第29页/共60页第三十页，共61页。 5其他影响因素 非均匀形核的形核率除受以上因素影响外，还受其他一系列物理因素的影响，例如在液态金属凝固过程中进

11、行振动或搅动，一方面可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶(jijng)核心，另一方面又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成。用振动或搅动提高形核率的方法，已被大量试验结果所证明。（二）形核率第30页/共60页第三十一页，共61页。 综上所述，金属的结晶形核有以下要点： 1）液态金属的结晶必须在过冷的液体(yt)中进行，液态金属的过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK。 2）rK值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比。 3）均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏，二者皆是液体(yt)本身存在的自然现象。 4）晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。

12、 5）在工业生产中，液体(yt)金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。（二）形核率第31页/共60页第三十二页，共61页。一、固液界面(jimin)的微观结构图2-19 固液界面(jimin)的微观结构第32页/共60页第三十三页，共61页。（二）粗糙(cco)界面图2-19 固液界面的微观结构第33页/共60页第三十四页，共61页。二、晶体(jngt)长大机制图2-21 二维晶核长大(chn d)机制第34页/共60页第三十五页，共61页。（二）螺型位错长大(chn d)机制图2-22 螺型位错露头第35页/共60页第三十六页，共61页。（三）连续长大(chn d)机制第36页/共60页第三十

13、七页，共61页。三、固液界面(jimin)前沿液体中的温度梯度（二）负温度梯度（一）正温度梯度 图2-25 两种温度(wnd)分布方式a）正温度(wnd)梯度 b）负温度(wnd)梯度第37页/共60页第三十八页，共61页。四、晶体生长的界面形状(xngzhun)晶体形态（一）在正的温度梯度下生长(shngzhng)的界面形态图2-26 在正的温度梯度下，纯金属 凝固时的两种界面形态 a）光滑界面 b）粗糙界面第38页/共60页第三十九页，共61页。（二）在负的温度梯度下生长(shngzhng)的界面形态图2-28 树枝状晶体生长示意图第39页/共60页第四十页，共61页。五、长 大 速 度第

14、40页/共60页第四十一页，共61页。图2-32 晶体的长大(chn d)速度G与过冷度T的关系 a）非金属 b）金属第41页/共60页第四十二页，共61页。六、晶粒大小的控制(kngzh)第42页/共60页第四十三页，共61页。1控制(kngzh)过冷度图2-33 金属结晶时形核率和长 大速度与过冷度的关系第43页/共60页第四十四页，共61页。2变质处理第44页/共60页第四十五页，共61页。3振动(zhndng)、搅动第45页/共60页第四十六页，共61页。一、固液界面(jimin)的微观结构图2-34 铸锭组织示意图1细晶区 2柱状晶区 3等轴晶区第46页/共60页第四十七页，共61页。（一）表层(biocng)细晶区第47页/共60页第四十八页，共61页。（二）柱状晶区第48页/共60页第四十九页，共61页。（三）中心(zhngxn)等轴晶区第49页/共60页第五十页，共61页。二、铸锭组织(zzh)的控制第50页/共60页第五十一页，共61页。2浇注(jio zh)温度与浇注(jio zh)速度图2-37 柱状晶的长度与浇注温度的关系第51页/共60页第五十二页，共61页。3熔化(rnghu)温度第52页/共60页第五十三页，共61页。三、铸锭缺陷(quxin)第53页/共60页第五十四