第二章 纯金属的结晶.ppt

1、第二章 纯金属的结晶,结晶: 金属由液态转变为固态的过程叫凝固, 由于凝固后的固态金 属一般是晶体, 所以这一转变过程也叫结晶.,2.1 金属结晶的现象 结晶过程的宏观现象 (一) 过冷现象 过冷度:金属的实际结晶温度Tn(熔点)与理论结晶温度Tm之差(T). T= Tm- Tn 过冷度影响因素: 金属的本性和纯度, 冷却速度. (二) 结晶潜热 相变潜热: 一摩尔物质从一个相转变为另一个相时, 伴随着放出或吸收的热量. 熔化潜热: 金属熔化时,从固相转化为液相放出的热量. 结晶潜热: 金属结晶时, 从液相转化为固相放出的热量.,二. 结晶过程的微观过程,结晶过程: 孕育期-晶核形成-晶核长大

2、.,问题: 1.液态金属能否在理论结晶温度下结晶? 2.过冷度在金属结晶过程中起什么作用?,2.2 金属结晶的热力学条件,热力学第二定律: 在等温等压条件下, 物质系统总是自发第从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变.,当T Tm 时, Gv=Lm T/ Tm Tm 理论结晶温度; Lm 熔化潜热. 过冷度T 越大, 相变驱动力越大.,Gv 单位体积自由能变化; Gs 固态金属自由能; GL 液态金属自由能.,2.3 金属结晶的结构条件: 结构起伏(相起伏),结晶: 大的过冷度-尺寸较大的相起伏 (晶胚) -晶核形成-晶核长大.,近程有序: 液体中的小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团

3、, 但是在大范围内原子却是无序排列的. 远程有序: 在晶体中,大范围内的原子呈有序排列. 结构起伏(相起伏): 在液态金属中,近程有序的原子集团处于瞬间出现, 瞬间消失,此起彼伏,变换不定的状态中, 仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样, 这种不断变化的近程有序原子集团,叫,2.4 晶核的形成,一.均匀形核 (均质形核 或 自发形核),形核方式: 均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率相同. 非均匀形核: 新相优先出现于液相中的某些区域.,(一)形核时的能量变化G和临界晶核半径rK,V:晶胚的体积; S: 表面积; GV; 液固两相单位体积自由能差; S: 单位面积的表面能.

4、,T:过冷度; Tm 理论结晶温度; Lm 熔化潜热.,当r rK时, 随晶胚尺寸增大, 自由能降低, 晶胚比较容易形成晶核. 当r= rK时,晶胚可能消失,也可能长大形成晶核.,过冷度T越大, 临界形核半径rK越小. 最大相起伏(晶胚)尺寸rmax越大. 当T TK时, rmax rK, 尺寸较大的晶胚能够形成晶核.,(二) 形核功 能量起伏:在一定温度下, 系统有一定的自由能, 这是指宏观平均能量. 但是在微区 各处的能量此起彼伏,变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象,叫 形核功: 形成临界晶核时, 体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3, 还有1/3的表面能需要另外供给, 既需要对形核作

5、功, 这部分功叫.,形核功与过冷度的关系: 过冷度增大, 临界形核功显著降低, 结晶过程容易进行.,晶核形成 = 过冷液体中的相起伏 + 能量起伏,(三) 形核率,形核率的影响因素: 形核功 ; 扩散.,二.非均匀形核(异质形核 或 非自发形核),(一)临界晶核半径和形核功,体系自由能变化:,形核功:,=0, GK=0. 不需要形核功, 液体中的固体相质点就是现成的晶核, 可以在上面直接结晶长大. =180o, GK= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. 0 180o, GK GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越小.,(二)形核率 1. 过冷度的影响 2. 固体

6、杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响,小节: 金属形核的要点,液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行, 液态金属的过冷度必须大于临界过冷度, 晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK. 前者提供形核的驱动力, 后者是形核的热力学要求. 2. rK值大小与晶核的表面能成正比, 与过冷度成反比。过冷度越大， 则rK值越小，形核率越大， 但是形核屡有一个极大值。如果表面能越大， 形核所需要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形核。 均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏， 二者都是液体本身存在的自然现象。 晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结

7、晶必须在一定的温度下进行。 在工业生产中， 液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。,2.5 晶核长大,一.固液界面的微观结构 (一)光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。 (二)粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。,二. 晶体长大机制 (一)二维晶核长大机制 (二)螺型位错长大机制 (三)垂直长大机制,三.固液界面前沿液体中的温度梯度 (一)正温度梯度:结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失 (二)负温度梯度:结晶潜热通过结晶的固相和型壁, 还有液体散失,四.晶体生长的界面形状-晶体形态,(一)正温度梯度下 结晶潜热通过已结晶的固相和型壁散失, 相界面向液相中的推移速度

8、受散热速率的控制. 液固界面基本呈平直状. 光滑界面: 小晶面互成一定角度, 呈锯齿状. 粗糙界面: 平行于等温面的平直界面.,(二)负温度梯度下 晶界的移动不受已结晶的固相和型壁的散热控制. 树枝晶: 液态金属在结晶中各个方向上发展不同,而形成的树枝状晶体. 等轴晶:如果枝晶在三维空间得到均衡发展, 各个方向上的一次轴近似相等,这样形成的晶粒,叫. 柱状晶: 如果枝晶在一个方向上的一次轴长得很长,而在其他方向上受到阻碍, 而形成的细长晶粒.,五.长大速度,长大速度与过冷度关系 非金属 当过冷度小时，液固两相自由能差小，结晶的驱动力小， 晶体的长大速度小。 当过冷度大时，温度过低，原子的扩散困难，晶体的长大速度小。 金属 结晶温度高， 形核与长大都快， 它的过冷能力小， 所以未到过冷到较低温度时，结晶已经结束了。,六.晶粒大小的控制 晶粒度：晶粒的大小， 通常用晶粒 的平均面积或直径表示。 晶粒大小的影响因素：形核率和长大速度。晶粒的大小取决于形核率N与长大速度G的比值，N/G。