合工大材料成形原理教案03金属凝固热力学与动力学

1第三章金属凝固热力学与动力学固体转变（结晶）及向非晶态固体转变（玻璃化转变）两部分内容。常用工业合金或金属的由麦克斯韦尔热力学关系式：dG=_SdT+VdP（3-1）并根据数学上的全微分关系：dFdxdy得：dGdTdP（3-3）等压时，dP=0，dG=_SdTdT，熵恒为正值→物质自由能G随温度上升而下降SSLGGTmTL2由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固相内部压力增高，这产生附加自由能：绝大多数物质，由于固态时的密度高于液态的密度，换言之，液态的体积大3K常数最终凝固组织的成分偏析越严重。因K常数最终凝固组织的成分偏析越严重。因*LC0/K00*SCC0K0CT*Tμi(T)及μi(T)分别为液、固两相的标准化学位，fiL及fiS为活度系数。(T)及μi(T)只有纯物质在熔点温度时两者才相等，在二元二相系统中，μ(T)及μi(T)不可能相等，所以K0≠1。K0的值不仅与温度取决于溶剂，也取决于溶质的种类。因为第三组元会影响溶质的活度系数f，所“均质形核”：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发4这表明过冷度很小时难以形核，也从数学上证明了为什么物质凝固必须要有一定起伏”的原子集团，其统计平均尺寸r°随温度降低(ΔT增大）而增大，r°与均质形核的形核率I可表示为：I=Cexpexp5所以，ΔT所以，ΔT→0时，形核功ΔG*→∞,此时形核率I→0。ΔT增大，ΔG*下降，I上升。对于一般金属，温T*形核率迅速上升。计算及实验均均质形核的形核率随过冷度的增加几乎始终为零，即不可能发生形核。ImΔT所示，晶核依附于夹杂物的界面上形成。这不需要形成类似于球体的晶核，只需A1=A1=2=2(1-cos2θ)σLSσLSσLC62整理得：ΔG*heθ=0°,即晶体与杂质基底相互完全润湿，非均质形核功ΔGe=0，此时在均质形核与均质形核时临界曲率半径的相的体积比均质形核时体积小得多。所以，从本质上说，液体中晶坯附在适当的基底界面上形核，体积比均质临界核体积小得θ'＞θθ'＞θ"*ΔT"Ihe"Ihe'Ih*ΔTIo7根据界面能产生的原因，晶面结构越近似，它们之间的界面能越小。以错配Nδ=ac_aN（aN——结晶相点阵间隔，aC——杂质点阵间隔）aN5%<δ<25%，为部分共格，杂质基底有一定的非均质形核能力；δ>25%，为不共格，杂质无非均质形核能力。在曲率半径、接触角相同时，凹面杂质形核效率最高坑洼洼、凹凸不平的界面结构。如图3-8-a)所示。粗糙界面也称“非小晶面”（某一晶面）的配位数为η,晶体表面上有N个原子位置只有NA个原子（x，则在..8对于非密排晶面，ην值低，如面心立方的（001）面，η/ν=0.33。过冷度大时，生长速度快，界面的原子层数较多，容易形成粗糙面结构。小晶面界面，过冷度ΔT增大到一定程度时，可能转变为非小晶面。过冷度对不同原子很容易被接纳与晶体连接起来。由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续9子与晶面的结合较弱，容易跑走，因此，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液）：（1）二维晶核机制：其台阶在界面铺满后即消