单组元相图及纯晶体的凝固.ppt

单组元相图及纯晶体的凝固现在学习的是第1页，共21页单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相的平衡 H2O化合物,单组元C=1f=3 P 0P 3在温度和压力这两个外界条件变化下，单元系中最多只能有三相平衡 OA，OB和OC 3条曲线交于O点，它是汽、水、冰三相平衡点。根据相律，此时f0，因此要保此三相共存，温度和压力都不能变动。如果外界压力恒定,在汽、水、冰的各单相区内（f1），温度可在一定范围内变动。在熔点和沸点处，两相共存，f0，故温度不能变动，即相变为恒温过程 现在学习的是第2页，共21页6.2 纯晶体的凝固 凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。1 液态材料的结构结构：液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序，并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏，这有别于晶体的长程有序的稳定结构。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。现在学习的是第3页，共21页2 晶体凝固的热力学条件 G=H-TS 现在学习的是第4页，共21页T=Tm-T，是熔点Tm与实际凝固温度T之差 T称为过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm，即需要有过冷度 结晶的一般过程结晶的一般过程 形核 长大 现在学习的是第5页，共21页3 形核 1).均匀形核 当温度降到熔点以下时，在液态金属中存在结构起伏结构起伏，即有瞬时存在的有序原子集团，它可能成为均匀形核的“胚芽”或称晶胚 一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变为固态的排列状态，体系内的吉布斯自由能降低；另一方面，由于晶胚构成新的界面，又引起表面吉布斯自由能的增加因此体系总的吉布斯自由能变化为：现在学习的是第6页，共21页式中是液、固两相单位体积吉布斯自由能之差，为负值；是晶胚单位面积表面能，为正值；V和A分别是晶胚的体积和表面积，为减少表面积，设晶胚为球形，其半径为r r ，则其生长将导致体系吉布斯自由能的增加，故这种晶胚不稳定，会重新熔化，即在起伏中消失。若r ，晶胚便能生长，体系的吉布斯自由能随r的增大而降低，此时晶胚就成为晶核。半径为r=的晶核叫做临界晶核，而称为晶核的临界半径。现在学习的是第7页，共21页由此可见，临界晶核尺寸除与有关外，主要决定于过冷度T，过冷度越大，临界晶核的尺寸变小，形核功也大大减少，这意味着形核的几率增大 得出称为临界晶核形成功，简称形核功临界晶核的表面积 因而 形成功等于其表面能的13，这意味着液-固相之间的吉布斯自由能差可以补偿临界晶核所需表面能的23，而另外13则依靠液体中存在的能能量量起起伏伏来补足.结构起伏和能量起伏是促成均匀形核的必要因素 现在学习的是第8页，共21页受两个因素的控制，即形核功因子 和 原子扩散几率因子形核率先随过冷度增大而增大，有一极大值，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步的增大而减小。现在学习的是第9页，共21页现在学习的是第10页，共21页现在学习的是第11页，共21页4 晶体长大 1)液固界面的构造 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、依靠缺陷长大粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面）：垂直长大。现在学习的是第12页，共21页2)晶体长大机制现在学习的是第13页，共21页5 结晶动力学及凝固组织 1)结晶动力学 由新相的形核率N及长大速率vg可以计算在一定温度下随时间改变的转变量，导得结晶动力学方程 上式称为约翰逊-梅尔(Johnson-Mehl)动力学方程，并可应用于在四个条件(均匀形核，N和vg为常数，以及小的值）下的任何形核与长大的转变。当N与时间相关时，阿弗拉密（Avrami）考虑形核率与时间呈指数关系变化后，得到 上式称为阿弗拉密方程。式中n称为阿弗拉密指数，与相变机制相关，一般在14范围内取值，式中k为常数。现在学习的是第14页，共21页2纯晶体凝固时的生长形态 纯纯晶晶体体凝凝固固时时的的生生长长形形态态不不仅仅与与液液-固固界界面面的的微微观观结结构构有有关关，而而且且取决于界面前沿液相中的温度分布情况取决于界面前沿液相中的温度分布情况 现在学习的是第15页，共21页a在正的温度梯度下的情况 正的温度梯度指的是随着离开液-固界面的距离z的增大，液相温度T随之升高的情况，即dT/dz0。在这种条件下，结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的推移速度受固相传热速度所控制。晶体的生长以接近平面状向前推移，这是由于温度梯度是正的，当界面上偶尔有凸起部分而伸入温度较高的液体中时，它的生长速度就会减缓甚至停止，周围部分的过冷度较凸起部分大而会赶上来，使凸起部分消失，这种过程使液-固界面保持稳定的平面形态。现在学习的是第16页，共21页b在负的温度梯度下的情况 负的温度梯度是指液相温度随离液-固界面的距离增大而降低，即dT/dz0。当相界面处的温度由于结晶潜热的释放而升高，使液相处于过冷条件时，则可能产生负的温度梯度。此时，相界面上产生的结晶潜热即可通过固相也可通过液相而散失。相界面的推移不只由固相的传热速度所控制，在这种情况下，如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则能处于温度更低（即过冷度更大）的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中。在这种情况下液-固界面就不可能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝（沿一定晶向轴），同时在这些晶枝上又可能会长出二次晶技，在二次晶技再长出三次晶枝。晶体的这种生长方式称为树枝生长或树枝状结晶。现在学习的是第17页，共21页6.3 凝固理论的应用 1 材料铸态晶粒度的控制单位体积中晶粒数目 Zv=0.9(N/G)3/4 ZV 增大，晶粒变细 （1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。（3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。现在学习的是第18页，共21页2 单晶体到额制备 （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。现在学习的是第19页，共21页3 定向凝固技术 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。（2）制备方法。现在学习的是第20页，共21页4 急冷凝固技术 （1）非晶金属与合金 （2）微晶合金。（3）准晶合金。现在学习的是第21页，共21页