纯晶体的凝固精选文档.ppt

纯晶体的凝固本讲稿第一页，共三十八页6.1金属凝固的基本过程金属凝固的基本过程2)金属凝固的微观现象金属凝固的微观现象1)金属凝固的宏观现象金属凝固的宏观现象本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：本讲稿第二页，共三十八页1、金属结晶的宏观现象、金属结晶的宏观现象通常把金属开始凝固的温度通常把金属开始凝固的温度Tn总是低于理论凝固温度总是低于理论凝固温度Tm的这种的这种现象称为现象称为“过冷现象过冷现象”，而把，而把称为过冷度。称为过冷度。本讲稿第三页，共三十八页2、金属凝固的微观现象、金属凝固的微观现象结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错从叠组合而成的过程。结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错从叠组合而成的过程。本讲稿第四页，共三十八页6.2纯金属凝固时的热力学条件和结构条件纯金属凝固时的热力学条件和结构条件本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1)凝固的热力学条件凝固的热力学条件2)凝固的结构条件凝固的结构条件本讲稿第五页，共三十八页1、凝固的热力学条件、凝固的热力学条件Gv=LmT/TmaT0,Gv0过冷是结晶的必要过冷是结晶的必要条件（之一）。条件（之一）。bT越大越大,Gv越小过冷度越大，越小过冷度越大，越有利于结晶。越有利于结晶。cGv的绝对值为凝固过程的驱动力的绝对值为凝固过程的驱动力。本讲稿第六页，共三十八页2、凝固的结构条件凝固的结构条件结结构构起起伏伏（相相起起伏伏）：液液态态材材料料中中出出现现的的短短程程有有序序原原子子集集团团的的时时隐隐时时现现现现象象。是是结晶的必要条件（之二）。结晶的必要条件（之二）。结构起伏的尺结构起伏的尺寸大小与温度寸大小与温度有关，温度越有关，温度越低，结构起伏低，结构起伏的尺寸愈大。的尺寸愈大。本讲稿第七页，共三十八页热力学条件：热力学条件：GGv v=G=Gs sG GL L00结构条件：结构起伏结构条件：结构起伏小结：金属凝固的条件小结：金属凝固的条件本讲稿第八页，共三十八页6.3纯金属凝固时的形核过程纯金属凝固时的形核过程本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1)均匀形核均匀形核2)非均匀形核非均匀形核本讲稿第九页，共三十八页1、均匀形核、均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化）晶胚形成时的能量变化GVGv+S=(4/3)r3Gv+4r22临界晶核临界晶核dG/dr=0rk=-2/Gv临界晶核：半径为临界晶核：半径为rk的晶胚。的晶胚。（3临界过冷度临界过冷度rk=-2Tm/LmT临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。Tk.TTk是结晶的必要条件。是结晶的必要条件。本讲稿第十页，共三十八页r r*、r r maxmaxT T 关系曲线关系曲线两两条条曲曲线线的的交交点点所所对对应应的的过过冷冷度度TT*为为临临界界过过冷冷度度。（结结晶晶可可能能开开始始进进行行的的最最小小过过冷度）。冷度）。大小：大小：TT*=0.2Tm =0.2Tm（K)K)即：即：当当T TT T*时，时，r rmaxmax r*TT T*时，时，r rmaxmax r*r*，结晶易于进行。结晶易于进行。本讲稿第十一页，共三十八页（4）形核功与能量起伏）形核功与能量起伏GkSk/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现的现象。（是结晶的必要条件之三）象。（是结晶的必要条件之三）。（5）形核率与过冷度的关系）形核率与过冷度的关系N=N1.N2由于由于N受受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。系。本讲稿第十二页，共三十八页本讲稿第十三页，共三十八页小结：小结：均匀形核是在过冷液相中完全依靠均匀形核是在过冷液相中完全依靠相起伏相起伏和和能量起伏能量起伏而实而实现的形核。体积自由能和表面自由能的相对大小，决定着现的形核。体积自由能和表面自由能的相对大小，决定着临界晶核临界晶核半径半径的大小。的大小。过冷度对均匀形核有重要的影响，只有当液相过冷度过冷度对均匀形核有重要的影响，只有当液相过冷度T T 临界临界过冷度过冷度TT*时，才能涌现时，才能涌现 r r*的晶胚而形成晶核。的晶胚而形成晶核。热力学条件，热力学条件，GGv v=G=Gs sG GL L00时时,Gk非非Gk,杂质促进形核；杂质促进形核；c=180时，时，Gk非非Gk，杂质不起作用杂质不起作用本讲稿第十六页，共三十八页4)4)与与TT的关系的关系图4-7金属结晶的形核率与过冷度的关系非均匀形核需较小的过冷度非均匀形核需较小的过冷度 T T相同时，相同时，r r*=r=r*非非，但非均匀形核时，但非均匀形核时，r r*非非只决定只决定r r，而而才决才决定晶核的形状和大小。定晶核的形状和大小。非均匀形核率取决于以下因素：非均匀形核率取决于以下因素：1 1）过冷度）过冷度，；2 2）外来夹杂）外来夹杂，；液体金属的过热；液体金属的过热，。本讲稿第十七页，共三十八页1 1）热力学条件，）热力学条件，GGv v=G=Gs sG GL L0TT T*提供形核的驱动力提供形核的驱动力 结构条件：相起伏：尺寸结构条件：相起伏：尺寸r r r r*的的晶胚晶胚 能量起伏：能量起伏：临界形核功临界形核功金属结晶形核的特点：金属结晶形核的特点：2 2）r r*与晶核的表面能与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比，成正比，与过冷度成反比，T T ，r r*：越大，越大，T T 越大。凡是能降低越大。凡是能降低都能促进形核。都能促进形核。3 3）均匀形核需要）均匀形核需要结构起伏和能量起伏，二者是液体本身存在的自结构起伏和能量起伏，二者是液体本身存在的自然现象。然现象。4 4）晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在）晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。一定的温度下进行。5 5）工业生产中，金属已非均匀形核为主。）工业生产中，金属已非均匀形核为主。结晶条件结晶条件本讲稿第十八页，共三十八页6.4纯金属晶体的长大纯金属晶体的长大4)长大方式长大方式1)晶体长大的条件晶体长大的条件2)液固界面的微观结构液固界面的微观结构3)晶体的长大机制晶体的长大机制本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：本讲稿第十九页，共三十八页1、晶体长大的条件、晶体长大的条件（1）动态过冷）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度）足够的温度（3）合适的晶核表面结构。）合适的晶核表面结构。本讲稿第二十页，共三十八页2、液固界面的微观结构、液固界面的微观结构粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金从来可的界面）：垂直长大。粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金从来可的界面）：垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面）：光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。本讲稿第二十一页，共三十八页JackSon的工作的工作,从理论上证明了这两种界面的存在。从理论上证明了这两种界面的存在。式中式中：N光滑界面上可以叠放原子的位置数；光滑界面上可以叠放原子的位置数；x界面上被固相原子占据位置的分数（界面上被固相原子占据位置的分数（01.0）；k波尔茨曼常数；波尔茨曼常数；Tm熔点；熔点；，称为因子。称为因子。将上述表达式对不同的将上述表达式对不同的值作值作与与x的关系曲线的关系曲线,如下图所如下图所示示:本讲稿第二十二页，共三十八页从图上可以得出两类固从图上可以得出两类固液界液界面的结论：面的结论：当时当时a=5，x在靠近在靠近0或或1处，界处，界面能最小；面能最小；当时当时a=2-5，处于中间状态，其处于中间状态，其界面是混合界面是混合型型本讲稿第二十三页，共三十八页3、晶体的长大机制、晶体的长大机制1 1）垂直长大机制（连续长大）垂直长大机制（连续长大）大多数金属晶体均以这种方式长大大多数金属晶体均以这种方式长大，是针对粗糙界面结构提出来的，是针对粗糙界面结构提出来的,按这种方式成长按这种方式成长,需要的动态过冷度很小需要的动态过冷度很小 ，.Vg=KVg=K1 1TT本讲稿第二十四页，共三十八页 是是针针对对光光滑滑界界面面结结构构提提出出的的,平平滑滑界界面面主主要要依依靠靠小小台台阶阶接接纳纳原原子子的的横横向向生生长长方方式式向向前前推推移移,横横向向生生长长机机制制的的类类型型可可分分为为：二维晶核台阶生长及晶体缺陷台阶生长两种，如下图所示。二维晶核台阶生长及晶体缺陷台阶生长两种，如下图所示。2)2)横向长大机制横向长大机制晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢。晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢。长大速度：单位时间内晶核长大的线速度，用长大速度：单位时间内晶核长大的线速度，用VgVg表示。表示。Vg=KVg=K2 2 e e-B/T-B/T(1)(1)二维晶核台阶生长二维晶核台阶生长 实际金属。它的长大速度比二维晶核长大方式快得多。实际金属。它的长大速度比二维晶核长大方式快得多。Vg=KVg=K3 3TT2 2（2)2)螺型位错长大机制螺型位错长大机制本讲稿第二十五页，共三十八页4、长大方式、长大方式纯金属其长大方式主要有两种：纯金属其长大方式主要有两种：a)a)平面长大平面长大在正的温度梯度下在正的温度梯度下,两种界面结构的金属，都会以平面状生长。两种界面结构的金属，都会以平面状生长。b)b)枝晶长大枝晶长大 晶体向树枝那样向前长大，不断分支发展。在负温度梯度晶体向树枝那样向前长大，不断分支发展。在负温度梯度下下,微观粗糙界面以树枝状方式生长，一般纯金属都具有这种微观粗糙界面以树枝状方式生长，一般纯金属都具有这种树枝状长大形态树枝状长大形态本讲稿第二十六页，共三十八页1 1）正的温度梯度）正的温度梯度 5、固液界面前沿液体中的温度分布、固液界面前沿液体中的温度分布（液体中距液固界面越远，温度越高）（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙界面：平面状。粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状。光滑界面：台阶状。本讲稿第二十七页，共三十八页（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）粗糙界面：树枝状。粗糙界面：树枝状。光滑界面：树枝状多面体光滑界面：树枝状多面体台阶状。台阶状。本讲稿第二十八页，共三十八页小结：晶体长大的要点小结：晶体长大的要点1、具有粗糙固具有粗糙固液界面的金属，其成长机理为在固相界面液界面的金属，其成长机理为在固相界面上各点呈垂直式凝聚态原子而成长，界面的动态过度很小上各点呈垂直式凝聚态原子而成长，界面的动态过度很小（约为（约为0.010.050C)，成长速率很快。成长速率很快。2、具有平滑界面的晶体，其成长机理可能有两种方式：具有平滑界面的晶体，其成长机理可能有两种方式：a.如果是在晶体学完整的界面上成长，则需要生长在晶面上如果是在晶体学完整的界面上成长，则需要生长在晶面上形成二维晶核，再在侧面进行台阶式成长，如此反复进行。形成二维晶核，再在侧面进行台阶式成长，如此反复进行。b.如果界面上存在螺型台阶或孪晶台阶，成长则连续地按台阶如果界面上存在螺型台阶或孪晶台阶，成长则连续地按台阶式进行，界面动态过冷度较大（约为式进行，界面动态过冷度较大（约为120C。3.晶体成长的界面形态主要决定于界面前沿液体中的温度晶体成长的界面形态主要决定于界面前沿液体中的温度梯度。在正温度梯度下成长时，两种界面结构均成平直界面；梯度。在正温度梯度下成长时，两种界面结构均成平直界面；在负温度梯度下成长时，一般金属的界面都呈树枝状，只有那在负温度梯度下成长时，一般金属的界面都呈树枝状，只有那些些 值较高的物质仍保持平直界面形状。值较高的物质仍保持平直界面形状。本讲稿第二十九页，共三十八页6.5凝固理论的应用凝固理论的应用本节主要讲授内容：本节主要讲授内容：1)晶粒大小的控制晶粒大小的控制2)凝固理论的应用凝固理论的应用本讲稿第三十页，共三十八页1、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制1 1）控制）控制TT3 3）振动、搅拌）振动、搅拌2 2）变质处理）变质处理本讲稿第三十一页，共三十八页2、凝固理论的应用凝固理论的应用单晶体的制备单晶体的制备定向凝固技术定向凝固技术非晶态金属非晶态金属微晶合金微晶合金本讲稿第三十二页，共三十八页知识体系：知识体系：本章小结本章小结本讲稿第三十三页，共三十八页1.1.结晶规律：结晶规律：形核及长大形核及长大2.2.热力学条件：热力学条件：Gs GGs GL L 或或 G=Gs-GG=Gs-GL L 0 03.3.形核规律：形核规律：分析分析G G r r 曲线，曲线，求求r r*、G G*、它们的意义。它们的意义。4.4.长大方式：平面长大枝晶长大长大方式：平面长大枝晶长大 及长大的条件及长大的条件5.5.细化晶粒的途径：细化晶粒的途径：TT，变质处理，变质处理，振动、搅拌。振动、搅拌。本讲稿第三十四页，共三十八页重点：重点：1)1)结晶的热力学条件。结晶的热力学条件。2)2)形形核核形形核核和和不不均均匀匀形形核核：形形核核时时的的能能量量变变化化，临临界界晶晶核核半半径径，形核功。形核功。3)3)长长大：固液界面的微大：固液界面的微观结观结构，晶体构，晶体长长大机制，晶体生大机制，晶体生长长形形态态。4)4)细化晶粒的途径细化晶粒的途径难点：难点：1)1)不均匀形核不均匀形核本讲稿第三十五页，共三十八页重要概念与名词（重要概念与名词（20）：）：凝固，结晶，近程有序，结构起伏，能量起伏，过冷现象凝固，结晶，近程有序，结构起伏，能量起伏，过冷现象过冷度，均匀形核，非均匀形核，晶胚，晶核，临界晶粒，过冷度，均匀形核，非均匀形核，晶胚，晶核，临界晶粒，临界形核功，光滑界面，粗糙界面，温度梯度，变质处理临界形核功，光滑界面，粗糙界面，温度梯度，变质处理临界过冷度临界过冷度 ，形核功，形核功 ，临界形核功，临界形核功本讲稿第三十六页，共三十八页重要公式重要公式1、均匀形核时系统自由能的变化为、均匀形核时系统自由能的变化为 式中式中:r球形晶胚的半径球形晶胚的半径 GGv v单位体积自由能的变化值单位体积自由能的变化值 单位面积的表面能（比表面能）（单位面积的表面能（比表面能）（J/m2或或N/m）2、临界晶核半径临界晶核半径r*的计算：的计算：本讲稿第三十七页，共三十八页3、临界晶核形核功、临界晶核形核功4、非均匀形核临界晶核形核功、非均匀形核临界晶核形核功 G G非非本讲稿第三十八页，共三十八页