山东大学《材料科学基础》讲义第4章 凝固

1、第4章 凝固1 金属结晶的基本规律凝固与结晶的概念和联系。一、金属结晶的微观现象二、金属结晶的宏观现象（一）冷却曲线与金属结晶温度1冷却曲线的测定：热分析方法。2纯金属的冷却曲线：问题：1）对冷却曲线的解释；2）为什么纯金属的冷却曲线上会出现“平台”？3）“平台”对应的温度是否为金属的熔点？（二）过冷现象与过冷度1过冷现象：2过冷度：T=Tm-Tn2 金属结晶的基本条件一、金属结晶的热力学条件相态的自由能：G=H-TS （H-焓；S-熵）dG=-SdT+VdP ，一般压力视为常数，因此有：S表征系统中原子排列有序度的参数，恒为正值，并随温度升高而增加。因此，自由能随温度升高而降低。另外，液态的

2、熵值远大于固态的，且随温度的变化也比固态的大，因此，液态的自由能-温度曲线的坡度较固态大，所以两条曲线必然相交。交点即为熔点。（如右上图所示）从液相向固相转变时，其单位体积自由能变化（G）与过冷度（T）的关系为：G=GL-GSG=（HL-HS）-T（SL-SS）（式中HL-HS=Lm（熔化潜热）当T= Tm时，G=0，因此：SL-SS=Lm/Tm；当T(dN/dT)M。动态过冷度（Tk）：二、液-固界面的微观结构 光滑界面：液-固界面上的原子排列比较有规则，界面处两相截然分开。微观上界面是光滑的，而红光宏观上界面往往由若干小平面组成。 粗糙界面：液-固界面上的原子排列比较混乱，仅在几个原子厚度

3、的界面上，液、固两相原子应各占位置的一半。但宏观上界面比较平直，不出现曲折的小平面 （P98图3-22）三、晶体长大机制（一）垂直长大方式：针对粗糙界面提出的。（二）横向长大方式：针对光滑界面结构提出的。1二维晶核台阶生长机制：需要较大的形核功，成长不连续，速度很慢，金属凝固中尚未发现。2晶体缺陷台阶生长机制：永不消失台阶：螺型位错、孪晶。成长速度也慢，平滑界面成长需要的动态过冷度比前一种要大。四、晶体长大的形态（一）液-固界面前沿液相中的温度梯度1正温度梯度：如图3-4所示。2负温度梯度：如图3-5所示。（二）平面状长大形态平面状长大：液-固界面始终保持平直的表面向液相中长大，长大中的晶体也

4、一直保持规则的形态。在正温度梯度条件下，对于具有粗糙界面结构的晶体都具有这种长大形态。造成平面长大形态的主要原因：粗糙界面上空位较多，界面的推进也没有择优取向，其界面与熔点等温线平行，偶有局部长大较快的微小区域由于受到前沿过冷度的限制会停滞下来，而保持界面整体的平行推移。（三）树枝状长大形态是液-固界面始终像树枝一样向液相中长大，并不断地分枝发展。在负温度梯度下，一般具有粗糙界面的晶体都具有该长大形态。造成树枝长大形态的原因：在负温度梯度下，液-固界面不在保持稳定状态。当界面上微小区域有偶或凸起而伸入到过冷液体中时，由于其前沿的过冷度较大，而更有利地生长，其生长放出的潜热又限制了其附近的晶体的生长。树枝状长大具有特定的方向性，主要取决于晶体结构。树枝分枝的多少和枝的粗细，通常用枝臂间距描述。5 陶瓷、聚合物的凝固一、陶瓷的凝固： 陶瓷的凝固过程比金属的复杂，但其结晶的基本规律相同。结晶过程中组织的变化规律与合金相似。二、聚合物的凝固：其凝固过程主要由其大分子链结构决定。结晶过程：非结晶过程：6 凝固理论的应用一、铸态晶粒度的控制单位体积中晶粒数： （N-形核率；Vg-长大速度）单位面积中的晶粒数：控制晶粒度主要在于控制N和Vg，常用的方法有：增大过冷度、降低浇铸温度、选择吸热