单组元晶体材料的凝固.ppt

1、第五章单元晶体材料的凝固，晶体形成的一般过程型核晶体的生长凝固体的结构，第一节晶体形成的一般过程，第一节晶体形成的一般过程，第一，凝固，结晶，引物：自然的物质通常可以作为气体、液体和固体存在。而且在一定的条件下，它们可以徐璐变化。凝固：从液体到固体的所有物质的切换过程统称。结晶：晶体的形成过程。冷凝蒸发凝固熔融凝固升华，晶体的形成过程包括气体(凝固)、液体、无定形固体或从一个晶体转移到另一个晶体的过程。意义：在材料中使用更广泛的有色金属材料，绝大多数金属材料是通过冶炼生产的。也就是说，首先得到的是液体，经过冷却后才能得到固体。固体材料的组织结构与从液体变成固体的过程有关，也影响材料的性能。1，

2、概述，2，凝固状态的影响因素，第一节晶体形成的一般过程，插入：固体状态下原子的排列方式有不规则排列的无定形，也有可能是规则的晶体。决定因素有三个茄子方面。物质的本质：原子以这种方式结合，降低系统吉布斯的自由能。温度高的时候原子活动力强，紊乱的能量低，在低温下以特定的方式组合，可以降低总能量。这是热力学的基本原则。熔体的粘度：粘性表征流体中发生相对运动的阻力，随着温度的降低，粘度继续增加，在达到结晶切换温度之前粘度增加，可以防止重力作用物质流动。也就是说，您可以保持固定的外观。这时物质已经凝固，不能发生晶体。玻璃、高分子材料等。熔体的冷却速度：冷却速度快，如果在到达结晶温度原子之前不重新排列，就

3、会下降到更低的温度，最终在室温下很难重建合成晶体，可以固定不规则的排列。金属材料必须达到106/s才能获得非晶状态。在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固成晶体，此时凝固过程也是结晶过程。2，结晶的热力学条件，第一节晶体形成的一般过程，结晶过程不是在任何情况下自动发生的。自然的所有自发变化过程总是朝着自由可以降低的方向进行。对于单个组元素：在恒定压力下，DP=0，其中S是熵，是正数。Cp是等压热容量，是正值。因此，吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹面的下降形式。2，结晶的热力学条件，第一节晶体形成的一般过程，液体的熵值高于固体的熵值，因此液体的曲线下降的趋势更陡，两条曲线相交的温度Tm，温度

4、T=Tm，液体和固体上的自由能相等，平衡共存，因此Tm被称为临界点，即理论凝固温度，T Tm牙齿固体向液体的转换导致吉布斯自由能下降是自发过程因此，结晶过程的热力学条件是温度低于理论熔点。3，结晶潜热，第一节晶体形成的一般过程，T=Tm:从液体到固体，此时作为发热过程释放的牙齿部分的热量称为结晶潜热。4，结晶时的过冷现象，一节晶体形成的一般过程，冷却曲线：在冷却过程中，材料由于热容量的关系从液体变为固体，释放出结晶热，利用热分析装置处于相对缓慢的固定冷却方式，随着时间的推移记录温度，结果曲线冷却曲线，纯金属的冷却曲线如图所示。(注：，)，过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下不是立即形成晶体

5、，而是低于材料必须改变的理论温度，保持原来的状态。过冷度：为了说明材料过冷度，理论转换温度和实际所在温度之间的差异称为过冷度。T=Tm T，5，结晶的一般过程，第一节晶体形成的一般过程，温度变化规律过冷在一定程度上开始结晶，释放结晶潜热，温度可能上升。与熔点相比，在稍低的温度下释放的热量和热量是平衡的，此时平台处于固定温度，冷却曲线上出现了平台。结晶过程完成，没有潜热补充，温度会再次下降到室温。5.结晶的一般过程，第一节晶体形成的一般过程，组织的变化：在一定程度的过冷度下，液体状态下的熔融体内先产生小晶体。牙齿过程称为核。随后形成的结晶核不断生长，在未改变的液体中伴随着新核心的形成。生长过程是

6、相邻的晶体徐璐接触，直到液体全部改变。生长的每个晶体都是晶粒，它们的接触界面形成晶系。第二节核，1，自发核，在一定程度的过冷度下，液体中出现固体晶体，该区域的能量发生了变化。一方面，特定体积的液体变成固体，体积自由能下降，液体固相界面增加了表面自由能，所以总吉布斯自由能的变化量是，小晶体出现后能否生长取决于晶体体积增加时其自由能是否下降。有过冷液体，可以依靠自己的原子运动形成结晶核。这种方式称为自发核。1 .能量变化，1，自发核，2节核，在一定的过冷度下，GV为负，总是正数。可见的晶体总是想要最大的体积和最小的边界面积。将GV设置为常数，最有利的形状是球。球的半径为R，例如，其中RC称为临界尺

7、寸，如果小晶体的半径大于临界尺寸，那么晶体生长时吉布斯自由能就会下降。能牙齿生长的小晶体称为结晶核。如果半径小于临界尺寸，晶体生长时吉布斯自由会上升，自发过程会减少，直到消失。2 .临界大小，1，自发核，2节核，熔点的温度在熔点附近时处于液体中，也就是说整个排列是无序的，但局部的小区域不是静态的。原子的运动能不断地改变局部能量。那一刻能量平均上下波动。其结构(原子排列)、过冷液中G大小差异发生的概率小于临界大小(也称为受精胚胎)的下一阶段消失，大于临界大小的可能性增大，成为结晶核的可能性增大。、临界大小等结晶核高于平均能量的部分称为“形核孔”。过冷度越小，高液自由能也越小，临界大小也越大，形核

8、孔也越高，出现的概率也越小。太小的过冷度不能在有限的时空范围内形成核。也就是说，核要求基本的过冷。3 .结晶核的来源，2，形核率，2节核率，形核率(N):单位时间是单位母体(液体)体积内结晶核的形成数称为形核率。过冷度对核率的影响，形核率取决于系统中结构达到临界大小的概率，受原子活动或移动能力的影响。3，非自愿核，第二节核，如果核不在液体内部，例如在固体中形成球管形状，附着在一些现有固体(液体中存在的熔点杂质)上，则可以利用附着区域原液和杂质的介面能量。特别是核心和杂质之间可能有小的介面能量。这种现有的固体相形核称为非自愿核。，1 .能源变化，G=Gv*V (LS*ALS SB*ASB-LB*

9、ASB)，3，非自愿核，第二节核，1。能量变化，2 .效果，3，非自愿核，2节核，2。作用效果，2)如果基本特性LB大于或等于(LSSB)，则=0。说明不用原子核，就可以将气体作为心脏核心。(LBLS)小于或等于SB=180。说明基底对细胞核无效。也就是说，不能在基底上形成核。通常是0180。变得比较小，活性固体，对形核的促进作用很大。SB越小，促进作用越大。3)底部形状凹更有利的核结晶核往往首先出现在模具壁的底部裂纹或小孔。结论非均匀结晶核有利于降低临界过冷度，大大提高形核率。第三节晶核的生长，1，生长条件，热力学分析表明，要降低系统的自由能，将液体固体介面附近的一些液体转变为固体，介面附近

10、仍需要有过冷度。在前面的冷却曲线中，平台和理论结晶温度的差异是生长所需的过冷度，也称为“动态过冷度”。金属材料的动态过冷度小于0.010.05，而非金属材料的动态过冷度要大得多。如果流体固体界面平衡，则界面的温度必须是理论结晶温度。第二，生长速度，凝固过程中晶体继续生长，界面在单位时间向前推进的垂直距离称为生长线速度。3，正温度梯度下晶体的生长，三节晶核的生长，正温度梯度是指液体固体介面前沿的液体温度随着到达界面距离的增加而提高。这时，结晶过程的潜热只能通过凝固的固体向外流动。平衡时界面的温度是理论结晶温度，液体的温度高于理论结晶温度。通过凝固的固体失去热量后，到达动态过冷的部分液体变成固体，

11、界面向前推进，达到理论结晶温度，生长过程停止。因此，在牙齿点，界面的形状决定为释放热量，实际上是理论结晶温度的等温面。小区域内的界面是平面的，局部不平衡引起的小凸起会提高前方的温度，增长速度减慢，可以理解为一齐走。这被称为平面推进方式的增长。4，负温度梯度下晶体的生长，负温度梯度是指液体固体界面前端的液体温度随着到达界面距离的增加而减少。这时，结晶过程的潜热不仅可以通过凝固的固体流向外，还可以通过低温的液体。(David aser，Northern Exposure(美国电视电视剧)，如果是小区域中的平面，部分不平衡会带来一些小凸起。前方温度低，有利于增长，因此凸增长速度大于平均速度，凸快速前

12、进，可以理解赛跑的竞争机制。凸起的上面可以再突出来。这样发展，以枝晶表达的方式生长。枝晶间的空隙最终填满，仍然得到完整的晶体。3节结晶核的生长，4，负温度梯度下晶体的生长，3节结晶核的生长，树枝晶：根据树枝生长的晶体叫树枝晶，先凝固的叫茎，然后叫茄子，最后叫树枝。值得注意的是，当纯材料结晶后，树枝晶体看不见，但在凝固过程中通常体积收缩，树枝间没有补充足够的液体，树枝晶体就会保持。生长中的晶体分支受到液体流、温差、重力等的影响，同一方向的分支可能产生较小的角度差异，徐璐结合会留下电位。或者材料中含有杂质，结晶时固体中的杂质比液体少，最后一层的茄子杂质含量不同，在该组织中可见树枝晶。5，非金属晶体

13、的生长，3节晶核的生长，在恒温梯度下，等温面和有利晶体表面不同时，界面呈阶梯式分解。，在表面的台阶上有利于晶体的生长。此时原子从液体转移到固体的表面积很小，楼梯充电后在表面生长也需要一定的临界尺寸。非金属增长的动态过冷度大于金属可达35。特别是海螺电位引起的表面楼梯有利于生长，是永远填补不满的楼梯。6，介面结构对晶体生长的影响，三节晶核的生长，介面能量和熵的影响，液体-固体界面的微观结构有两种茄子类型。粗糙的界面长大后，各个方向都没有差别。光滑的界面较低的晶面和等温面不重时，原子在楼梯面生长。(没有楼梯的时候，少量原子很难吸附在光滑的平面上，需要一群原子，所需的动态过冷度很大。最终形状与晶体的

14、各向异性有关，相当于独特的外形。在光滑(晶面型)界面上，原子排列是扁平的。通常是晶体的特定晶面，界面上的空位或单个贴纸原子较少。粗糙(非晶型)界面上没有显示出空位或单贴纸原子多、高、低、粗糙、任何晶面特性。大多数金属材料都是这样。4节凝固理论的应用实例，1，晶粒大小，晶粒大小是指统计说明的晶粒大小，每个晶粒的大小和形状不一样。这就是统计的意义，可以进行多种茄子测量，例如单位体积内的晶粒数。生产中使用晶粒大小的测量方法是扩大100倍的观察和标准的比较等级，18级(更高的水平)，高等级的晶粒细化度的测量。水平定义为放大100，每个平方英寸1个晶粒大小为1，数量为2倍。计算中使用的定量描述也用平均割

15、面线长度表示。2，控制铸件的晶粒大小，4节凝固理论的应用实例，决定晶粒大小的因素：液体凝固后，每个晶核长成一个晶粒，晶核的晶粒大小自然变小。根据凝固理论分析，晶粒大小由N/G确定。即，核率高的晶粒大小较小，但生长速度快，晶粒大小增加。控制原理和方法：生产过程通常希望材料获得较小的尺寸，为此，控制晶粒大小的方法如下：第一，降低浇注温度，提高金属模具等冷却速度，核率和生长速度都提高了，但核率快得多，结果粒子精细，但快速冷却速度会增加零件的内部应力。第二，变质剂是人工添加辅助核的其他高熔点粉末，在铜中加入少量铁或铝中加入Al2O3粉末等非均匀方式形成核，阻碍生长。第三，铸件凝固时，可以使用机器或超声

16、波振动等微调晶粒尺寸。要使粒子变粗(例如高温使用的材质)，请对这些元素执行相反的操作。3，凝固体的结构，第四节凝固理论的应用实例，表面等轴微粒子区晶粒大小，方向随机，大小等轴，铸造时铸锭整形温度低，大过冷度加上模具壁和油漆，有助于铸型核，使大形成比与铸型接触的表面成为等轴微结晶区。模具结晶区随着模具温度的提高，模具的散热可以降低温度，模具核很难。只有表面结晶向内生长，不同的结晶取向具有不同的生长速度。有利于生长的部分结晶同时向内生长。复盖大量晶粒，形成相对粗、方向几乎相同的长晶粒区域。中心等静力球凝固的后期，周围热和液体的对流，中心温度均匀，凝固点以下，表面结晶的沉降，生长过程中破裂的晶枝石可

17、以作为核心，向四面均匀生长，形成等静力。有结晶核数的限制，牙齿区间的结晶通常比较粗。，力学性能表面硬柱区方向中心松散，多杂质，4，铸锭的组织缺陷，4节凝固理论的应用实例，收缩孔，疏松孔：实际上是微分散的收缩孔，树枝或晶粒之间的收缩孔被凝固的固体封闭，不能得到液体补充，留下缺陷。中部比边缘多，大小大，铸件比小型铸件严重。钢的轧制可以减少或消除其不利影响。气孔：液体中的气体不会排出凝固过程中凝固体内形成的缺陷。气体的来源析出型(气体在液体、固体中的溶解度不同)和反应型(凝固过程中产生的化学反应)牙齿。杂物：与气体要求的成分和组织不同，有多余的颗粒，外部杂物流入铸件的其他固体物(如耐火材料、碎铸件等)牙齿。成分分离：在多组元材料中，徐璐不同位置材料的成分不均匀，称为偏析。不同区域的宏分离(不同区域的成分不同)