材科基考点精讲第6讲凝固上

1、材料科学基础考点精讲系列金属及合金的凝固和组织主讲人：高山网学天地主要内容一、凝固概论二、固溶体合金凝固与组织三、系合金凝固与组织四、其他系合金凝固与组织五、铸锭的凝固与组织六、改善铸造金属材料组织的方法一、凝固概论1. 凝固基本类型同分凝固：结晶出晶体与母液化学成分完全一样。异分凝固：结晶出来的晶体与母液的化学成分不同。匀晶凝固：结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织由单一的均匀晶粒组成，即得到单相组织。比如同分凝固的金属。非匀晶凝固：液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。比如。2. 凝固过程宏观特征（1）液体必须具有一定的过冷度（提供能量起伏）。过冷度：实际凝固温度

2、与其之差。过冷度存在一个最小值，称为亚稳极限，以T*表示，当过冷度小于这个值时，凝固几乎不能进行。（2）凝固过程中有结晶潜热的。3. 凝固的微观过程凝固的过程主要是形核与长大两部分。其中形核又有两类：均匀形核和非均匀形核。这部分主要内容有：均匀形核、非均匀形核、晶体长大、晶体形貌、晶体缺陷。（1）均匀形核当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的积聚状态转变为晶态的排列状态，使体系内的能降低，这是结晶的驱动力；另一方面由于晶胚的新的表面又会引起表面能的增高，这个相变的阻力。形核过程中系统的能总变化是：G=GvV+S能，是界面能。其中，Gv是体积如果均匀形核形成的是球性，那么：

3、G=(4R3/3)Gv+4R2（R0）公式中，随着R的变化G存在一最大值，对应曲线的最高点，也就是临界形核功。r r* 的晶胚因为一切自发过程都朝着能量降低的方向进行，r r* 的晶胚，不因为长大，使G能自发进行。所以一旦出现，不在大成为晶核。，能长当 r r0时，因为G 0, 为亚稳定晶核。G=(4R3/3)Gv+4R2（R0）对R求导，得:G(R)=4R2Gv+8R令其等于零，则可求得：R*= -2/Gv其中Gv= -LT/Tm ，其中T为过冷度，Tm是晶潜热。，L是结R*=2Tm/LTG*=163/3(Gv)2=163Tm2/3(LT)2G*是形成临界晶核所需的功，过冷同时以知道临界晶核

4、表面积：大所需形核功越小。A*=4(R*)2=162/GG*=A*/32v即：能Gv的下降只能补偿2/3表可见：形成临界晶核时，体积面能GA的上升，还有1/3的表面能必须由系统的能量起伏来提供。补充说明液相在每一个过冷度下都可以算出一个晶核的临界尺寸（R*=2Tm/LT），只有当系统的能量起伏使得晶胚能够到达临界尺寸时，晶核才可能出现。否则，即使存在一定的过冷度，也不会进行结晶。这就是亚稳极限的意义。形核率与过冷度之间的关系：当过冷度增大时，临界尺寸下降，形核变得更加容易，形核率上升；当过冷度下降到一定水平时，温度太低导致原子迁移降。，又导致了形核率下（2）非均匀形核当晶核不是完全在液体自身内

5、产生，而是借助于外来物质的帮助，依附在已存在于也相中的固态现成界面上，或容器表面上优先产生时，称为非均匀形核。非均匀形核的临界形核半径与均匀形核的完全一致。但是非均匀形核所需的功远小于均匀形核，因为非均匀性和的界面能相对均匀形核降低了。 2 LC2 LCTmHm Tr*GV1G (2 3cos cos ) G f ( )G3hehoho4均匀形核与非均匀形核的比较（3）晶体长大成长条件：液相不断向晶体扩算，供应原子；晶体表面不断牢靠的吸收、接纳原子。A、固液界面结构引入Jackson因子，当2时，界面为粗糙界面，当2时，界面是平滑型，当2，但相差不大时，为过渡型界面。粗糙界面：界面固相一侧的点

6、阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。实验表明：大多数金属及其固溶体的固液界面是粗糙型；非金属以及一些金属间化合物多为平滑型或过渡型。B、晶体成长机理连续长大：粗糙面的界面结构,许多位置均可为原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳与晶体连接起来。由前面讨, 生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。论的热力学只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。借台阶侧向扩展成长光滑界面在原子尺度界面是光滑的，

7、单个原子与晶面的结合较弱，容易脱离。只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面长大。故又称“侧面长大”。二维晶核式成长当晶体界面既无台阶也无缺陷，形成了理想的平面时，单独的液相原子很难停留在平面上。只能依靠系统能量起伏，使一定量的原子差不多同时落在平滑界面上的一个原子平面，同时也产生了台阶。借晶体缺陷成长位置，形成晶体中存在各种缺陷，它们会促进晶体生长。例如螺位错形成的台阶。（4）晶体形貌晶体的形貌可以分为具有规则外形的晶体（具有平滑界面的物质）和不具有规则外形的晶体（大部分是金属晶体）；其中每一类又可以分为等轴晶、柱状晶、树枝状晶等。影响晶体形貌的多种多样

8、，但有两样起到了决定性：结晶物质内在特性；温度场。单纯考虑结晶物质本身特性时，对于具有平滑固液界面的物质，他们一般形成具有规则几何外形的晶体。若没有其他影响，大多可以成长为以密集晶面为外表面的规则晶体。对于具有粗糙型固液界面的物质，其各向异性较弱，所以大多无规则的几何外形，这时晶粒的形貌主要受温度场的控制。单纯考虑温度场时：正温度梯度下：2的物质微观上平滑，但整体上晶体面取向不同，成长速度不同，形成规则的几何状；2的物质晶体界面虽然可能是粗糙的，但是从整体来看确实大致形成了一个与散热方向垂直的平面。易于成长为任意形的晶粒。负温度梯度下：2的物质易形成树枝晶，因为不平整的微观界面一旦形成凸出就很

9、容易在该方向上快速生长。2但大的不多的情况下仍然可能形成树枝晶，若远大于2，仍会形成规则的晶体，或具有小晶面的树枝晶。正温度梯度下界面生长的形态突起的生长将受阻；光滑界面生长出具有 与等温面有一定交角的台阶面特定晶面；粗糙界面生长与等温面平行一刀切；晶体生长为平面状推移。负温度梯度下界面的生长形态突起处于更大的过冷度下，生长优先，表现出生长的分支树枝状生长；粗糙界面的金属将生长得到树枝状晶体；光滑界面树枝状生长的倾向不明显（光滑界面的树枝状结晶仍带有小平面生长的特点）。胞状界面：一种介于平面和树枝状之间的晶体界面。当结晶前沿只有不大的过冷度，界面只能局部稍稍凸出，但不能纵深发展的情况下出现。当金属中含有杂质时，正温度梯度条件下也会出现胞状界面，杂质多富集在凹槽内。树枝晶：在其他条件相同下，异分结晶更有利于发展树枝状晶。因此树枝晶具有重要的实际意义。各级支晶发展、壮大一直到它们严密合缝对接起来，便形成了一个只是其外部具有枝状轮廓的晶粒，看不出支晶痕迹。（5）晶体缺陷空位：凝固过程中本应由液