第二章-纯金属的结晶

1什么是结晶？结晶的过程是什么？什么是过冷度？晶粒大小对金属力学性能有何影响？影响晶粒大小的因素有哪些？如何获得细小晶粒？第二章纯金属的结晶§2-1金属的结晶现象§2-2金属结晶的热力学条件§2-3金属结晶的结构条件§2-4晶核的形成§2-5晶核长大§2-6金属铸锭的宏观组织与缺陷纯金属结晶的现象结晶过程的宏观现象12结晶过程的微观过程1.结晶过程的宏观现象

热分析法：获得冷却曲线的方法

原理：利用凝固时的热效应

测定方法：热分析法热分析装置示意图晶体液体结晶结晶：液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度1.纯金属的结晶条件1.1过冷现象①过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。③结论：过冷度越大，实际结晶温度越低。金属不同过冷度不同

速度

纯度

本性②影响过冷度的因素V冷

TnT纯度

TnTΔTT0Tn温度时间冷却速度越大，则过冷度越大。固相液相结晶潜热1.2结晶潜热ΔTT0Tn温度时间液态金属形核晶核长大完全结晶2.金属结晶的微观过程金属结晶的热力学条件

自由能曲线12过冷度与驱动力的关系为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？思考题：

热力学第二定律：在等温等压的条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。自由能：物质能自动向外界释放多余的热量或能够对外做功的那部分热量。纯金属液、固两相自由能随温度变化的示意图1自由能曲线：自由能GGLGS温度TTm△G=△Gs-△GL﹤0综上所述：只有当T＜Tm时，即存在一定的过冷度，液态金属才能结晶。T=Tm时：GS=GL，处于热平衡状态，Tm是理论结晶温度。T＜Tm时：GL＞GS，液态金属自发地转为固态金属，两相自由能差（△G），构成金属结晶的驱动力。1.1自由能曲线性质自由能GGLGS温度TTm△G=△Gs-△GL﹤02.过冷度与结晶驱动力的关系

结论：△G与△Ｔ成正比。△Ｔ——过冷度

Ｔm——熔点

Ｌm——熔化潜热为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？1.一定要有过度，这样才能满足结晶的热力学条件。2.过冷度越大，结晶的驱动力越大，结晶速度便越快。金属结晶的结构条件

液态金属的结构12液态金属结构的特点1.液态金属的结构①近程有序②结构起伏（相起伏）1.液态金属的结构2.液态金属结构的特点

只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结晶时转变为晶核。晶胚：尺寸较大的相起伏。

影响晶胚的主要因素：过冷度

右图可知：过冷度↗→rmax↗最大相起伏尺寸与过冷度的关系△Trmax晶核的形成

均匀形核12

非均匀形核2.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程细晶强化：利用细化晶粒来提高材料常温下强度的方法。均匀形核的公式？晶核的形成形核规律两种形核方式——

均匀形核与非均匀形核均匀形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非均匀形核——

是依附于外来杂质上生成的晶核。1.均匀形核①定义：液相中各区域出现新相晶核的几率相同。②条件：液态金属绝对纯净、足够大的过冷度。

体积自由能△GV是结晶的驱动力界面能是结晶的阻力在某一过冷度下：1.1形核时的能量变化和临界形核半径自由能GGLGS温度TTm△G=△Gs-△GL﹤0r＜rk时，结晶不自动进行r＝rk时，结晶可能进行，也可能不进行

r＞rk时，结晶自动进行，rK称为临界晶核半径。晶胚△Gk晶核界面自由能体积自由能△Grkr0r1.1形核时的能量变化和临界形核半径临界晶核半径rk：△T↑，则rk↓，越易形核1.1形核时的能量变化和临界形核半径1.2形核功

形核功：形核时所需的能量。

形核时系统自由能的变化：△Gk=SKσ31

形成临界晶核时，体积自由能的降低只能补偿2/3的表面能，还有1/3的表面能需要由外界供给，即需要对形核做功。晶胚△Gk晶核界面自由能体积自由能△Grkr0r

能量起伏：在一定温度下，液相各微区的能量是此起彼伏、不断变化的，这种微区暂时偏离平衡能量的现象。

形核功的来源：液相中的能量起伏。1.2形核功

形核条件相起伏>rK存在能量起伏故：过冷度越大，所需临界形核功越小，形核就越容易。

临界形核功△GK

与△T的关系：1.2形核功

定义：单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目。

影响形核率的两个因素：过冷度和原子的扩散能力。故：N=N1×N2N1：过冷度影响的形核率因子N2：原子扩散能力影响的形核率因子。

结论：△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ1↗NN1N2TmN1、N2、N1.3形核率

孕育期

：有效成核温度。

非晶态合金：金属玻璃。1.3形核率定义：依附于液体中现存的固体杂质或容器型壁而进行形核的形核方式。2.非均匀形核假设一晶核α在基底β上形成，α的形状是半径为r圆球的球冠。L为液相。液体L基底β晶核αrS1S2非均匀形核示意图θθ－晶核与基底的接触角，称为润湿角S1--晶核与液相的接触面积。S2--晶核与基底的接触面积。V--晶核的体积。2.1临界晶核半径和形核功θ在0～π之间变化，cosθ在1～－1之间变化。

形核半径：

能量变化：2.1临界晶核半径和形核功θ＝0时，△G’K

＝0，不需形核功就可在基底上长大。0<θ<1800时，△G’K

＜△GK。θ＝1800

时，△G’K

＝△GK，相当于均匀形核。2.1临界晶核半径和形核功①过冷度（1）非均匀形核率（2）均匀形核率2.2影响形核率的因素②固态杂质结构的影响液体L基底β晶核αrS1S2非均匀形核示意图θ

点阵匹配原理：

活性质点:

满足点阵匹配原理的质点。结构相似，原子尺寸相近的晶面结构。2.2影响形核率的因素③固体杂质形貌的影响

三个晶核的体积V1＜V2＜V3时，N1＞N2＞N3。即：（凹面＞平面＞凸面）θ相同，曲率半径r相同2.2影响形核率的因素④振动、搅拌思考题：自己总结形核要点？2.2影响形核率的因素

概述12固液界面前沿液体中的温度梯度3晶体生长的界面形状—晶体形态

晶粒大小的控制4§2-5晶核长大晶核长大规律两种长大方式——

平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长树枝状晶体生长示意图

①长大的条件

需要一定的过冷度

液相温度要足够高1.概述②形核和晶核长大示意图①正温度梯度：液相中的温度随至界面的距离的增加而升高。②负温度梯度：液相中的温度随至界面的距离的增加而降低。界面距离温度Tm固液过冷度界面距离温度Tm固液过冷度固液界面正、负温度梯度2.固液界面前沿液体中的温度梯度3.晶体生长的界面形状—晶体形态①在正温度梯度下生长的界面形态

正温度梯度下以平面方式长大。②在负温度梯度下生长的界面形态

在负温度梯度下以枝晶方式长大。3晶体生长的界面形状—晶体形态4.1晶粒度定义：衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。4.晶粒大小的控制

形核率N

长大速度G4.2晶粒度的控制①控制过冷度：用于小件、薄件△Ｔ↗→N/G↗，晶粒越细小

方法：降低铸型温度采用散热快的金属模4.2晶粒度的控制②变质处理：用于大件。在浇铸前往液态金属中加入形核剂（变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。

定义：

变质剂的作用：作为非均质形核的核心，或阻碍晶粒长大。

举例

铝合金中加入钛、锆。

钢中加入钛、锆、钒。

铸铁中加入硅铁或硅钙合金。4.2晶粒度的控制电磁振动机械振动超声波振动③振动、搅拌

方法：

原理：由于能量的输入，可促使形核。使正在成长中的枝晶破碎，而使晶核数大大增加，从而细化晶粒。4.2晶粒度的控制四、晶粒大小及控制细晶强化细化晶粒的方法：

（1）增大过冷度提高冷却速度和降低浇注温度

（2）变质处理

（3）附加振动（1）提高过冷度形核率N

、长大速度G与过冷度

T的关系TG，NGN（2）变质处理

在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非均质形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。

铸锭三晶区的形成12

铸锭组织的控制3

铸锭缺陷§2-6金属铸锭的组织与缺陷（自学）②中间的柱状晶区③心部的等轴晶区1.铸锭三晶区①外表层的细晶区自学：铸锭三个晶区的组织特点和性能特点以及铸锭组织的控制？铸锭组织表面细晶粒层中间柱状晶粒层中心等轴晶粒层①柱状晶区：优点：晶粒间的界面较平直，气泡、缩孔小、组织致密，具有各向异性。缺点：存在弱面。（柱晶间界）②细等轴晶区：优点：在等轴晶区中，各晶粒的取向不同，没有方向性，没有脆弱面，同时取向不同的晶粒彼此咬合，裂纹不易发展。缺点：显微缩孔多，组织不致密。各晶区的性能特点铸锭组织的控制因素①有利于柱状晶区发展的因素

锭模的导热能力要大

高温浇注、高速浇注

高的熔化温度②有利于等轴晶区发展的因素

低温、低速浇注

降低熔化温度

变质处理

搅拌、振动铸锭缺陷

集中缩孔

分散缩孔（缩松）②气孔③夹杂物

外来夹杂物

内生夹杂物①缩孔71单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.四、长大速度1.晶体的长大速度：单位时间晶体向周围长大的线速度。

具有粗糙界面的金属，其长大机理为垂直长大，长大速度大，所需过冷度小。

具有光滑界面的非金属或金属化合物，将以二维晶核长大方式或螺型位错方式长大，它们的长大速度很慢，所需的过冷度较大。四、长大速度1.过冷度对长大速度的影响①对非金属的影响

当△T较小时，固液相自由能差小，结晶的驱动力小，所以长大速度也小。

当△T很大时，原子扩散困难使长大速度减小。

在中间某个过冷度时，△Ｔ足够大，原子活动能力也足够大，所以长大速度达到极大值。由于结晶温度较高，形核和长大都快，不等过冷到较低的温度时结晶过程已经结束，所以其长大速度一般都不超过极大值。四、长大速度1.过冷度对长大速度的影响①对金属的影响ΔTT0Tn温度时间自由能GGLGS温度TTm△G=△Gs-△GL﹤0△Trmax晶胚△Gk晶核界面自由能体积自由能△Grkr0r砂型铸造和金属型铸造的晶粒大小的对比砂型铸造和金属型铸造的产品，能不能有晶粒大小的对比？80小结重点要求

过冷度的概念，晶粒度的影