华科复试课件03纯金属结晶

1第三章纯金属的结晶

材料由液态转变成固态的过程称为凝固，其中转变成晶体的过程称为结晶。§3–1纯金属结晶的现象一、宏观现象1.过冷现象：液态金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm，两者之差△T＝Tm－Tn即为过冷度。

●液态金属只有在过冷状态才有结晶的驱动力。

●冷却速度越大，过冷度就越大，结晶的驱动力也越大。

●实际金属结晶时的过冷度一般只有几摄氏度。2.纯金属恒温结晶：因结晶潜热的释放，补偿了散热引起的温度下降，故结晶时温度恒定，待结晶完毕后，温度才继续下降。2二、微观过程

1.结晶是晶核不断形成和长大的过程。⑴形成晶核液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。过冷度越大，则晶胚尺寸越大，数量越多。过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融化，结晶开始。⑵晶核长大3§3–2金属结晶的热力学条件自由能：物质中能自动向外释放或能对外做功的能量。物质体系总是自发的向自由能降低的状态转变。因为熵S为正，自由能G随温度T的上升而下降。因为液体的熵大于固体的熵，所以液体的曲线下降趋势更陡。设两曲线相交处的温度为Tm（理论结晶温度），当T=Tm

时，GS=GL,液固两相共存

T>Tm

时，GS>GL,熔化

T<Tm

时，GS<GL,结晶在恒压下，dp=0，因此：

所以，金属结晶一定要在过冷条件下进行，此时自由能变化为负，结晶才有驱动力。4§3–3晶核的形成一、均匀形核（自发形核）在纯净液态金属内发生，各区域形核的几率基本一致。1.临界晶核半径设晶胚形状为球形,则形成一个晶胚总的能量变化是：

52.形核功将代入⑴式,可求出形核功：⑴形成临界晶核时，体积自由能下降只抵消了表面自由能的三分之二，另外三分之一需由外界提供。⑵液态金属各微区的能量高低不等,变化不定，称为能量起伏，形核功是由能量起伏提供的。6

3.临界过冷度⑴△T越大，则温度越低，最大晶胚尺寸rmax越大。⑵临界晶核半径rk与△T的关系：作出rmax，rk与△T的关系曲线，两曲线交点处的坐标即为临界过冷度△Tk。当△T﹤△Tk，rmax

<rk不能形核；△T﹥△Tk，rmax

>rk,

形核过冷度必须大于临界过冷度，才能形核。△T△TkRmax，Rk与△T的关系曲线rmaxrkrkrmax74.过冷度对形核率的影响单位时间在单位体积液相中形核数量称为形核率。⑴形核功△Gk的影响⑵结晶温度Tn的影响当温度降低,即过冷度增大时，原子扩散能力降低，形核率下降。综合过冷度对形核率两方面互为矛盾的影响，曲线出现极大值。但在一般情况下，形核率随过冷度的上升而上升。形核率N过冷度△T过冷度对形核率影响的曲线8二、非均匀形核（非自发形核）晶核以液相中未熔固态质点的表面为基底形成，降低了形核过程中表面自由能，形核就可以在较小过冷度下进行。1.临界半径和形核功

σαLσLBσαBS1

S29续上页102.非均匀形核功的讨论θθθ=0θ=π0<θ<π11⑴晶核与液态金属中未熔质点的晶体结构相似程度越大,则接触

角就越小,形核功也就越小,就能提高形核率。

⑵与晶核的晶体结构非常相似的未熔固态质点称为活性质点。

在液态金属中的活性质点可以有效地减小接触角θ，提高形

核率。3.怎样减小接触角θ（或称润湿角）

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S212§3–4晶核的长大一、长大的条件晶体长大必须在过冷条件下进行，过冷度越大，则长大的速度越快。二、晶体生长的界面形状取决与液固界面前沿液相中的温度分布。1.正的温度梯度一般情况下，液固界面前沿液相中出现正的温度梯度，过冷度随离界面距离的增加而减小,晶体以平面方式长大。2.负的温度梯度特殊情况下，液固界面前沿液相中出现负的温度梯度，过冷度随离界面距离的增加而增加,晶体以枝晶方式长大。距离距离温度温度TmTmS/LS/L界面前沿液相中的正温度梯度界面前沿液相中的负温度梯度过冷区13三、晶粒大小的控制在常温条件下,组织中的晶粒越细，材料的综合力学性能越高。细化铸态金属晶粒的方法

⑴提高过冷度一般以提高液态金属的冷