教学课件第五节金属的结晶与铸锭.ppt

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金属结晶的微观现象
凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。若凝固后的物质为晶体，则称为结晶。
是否形成晶体，主要有液态物质的黏度和冷却速度决定。黏度高，冷速大易形成非晶态。
结晶的基本过程：形核和长大, 两者交错重叠进行。
描述结晶过程的两个参数：
形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数 量。用N表示。
长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。
金属结晶的基本规律
§ 金属结晶的宏观现象
冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。
测定方法：热分析法
金属结晶的基本规律
金属结晶温度：
开始结晶温度Tn，理论结晶温度Tm（两相平衡）, 平台
过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-Tn
影响因素：金属纯度，冷却速度
金属越纯，过冷度越大；冷却速度愈快，过冷度愈大。
纯金属的冷却曲线
结晶潜热
结晶潜热：金属结晶过程中释放的热能。
§ 金属结晶的热力学条件
相变驱动力：单位体积自由能的变化
G-T曲线
G=H-TS
dG/dT=-S<0（推导见教材）
G-T曲线为下降曲线，液态下降更快
金属结晶的基本条件
固
液
为什么需要过冷？
△GB=GL-GS=(HL-TSL)-(HS-TSS)=(HL-HS)-T(SL-SS)=Lm- T(SL-SS)
(SL-SS)变化很小，视为常数，T=Tm时 △GB= Lm- Tm(SL-SS）=0
所以： SL-SS =Lm/Tm
热力学条件：自由能降低
§ 金属结晶的热力学条件
相变驱动力：单位体积自由能的变化
金属结晶的基本条件
固
液
Tm
为什么需要过冷？
热力学条件：自由能降低
a. △T>0, △GB>0是结晶的必要 条件（之一）。
b . △T越大, |△GB|越大－过冷度越大， 越有利于结晶。
c . △GB的绝对值为凝固过程的驱动力。
金属结晶的结构条件
固态金属
05
液态金属
06
液态结构模型：
微晶无序模型，
拓扑无序模型（密集无序堆垛模型）
03
实际液体结构是动态的
04
液态金属结构
长程无序而短程有序。
液态与固态相比：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。
01
金属结晶的基本条件
02
金属结晶的结构条件
结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之一）。
晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。
01
金属结晶的基本条件
02
一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。
03
均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。
非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面上成核的过程。 （凝固形核的主要方式）
形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界尺寸的新相晶核的过程。
形核方式：均匀形核，非均匀形核
01
03
02
晶核的形成
均匀形核
§ 均匀形核
晶胚形成时能量的变化
体积自由能△GV 降低（结晶驱动力）
表面自由能△GS 升高（结晶阻力）
晶核的形成
设 晶胚为球形，半径为r，表面积为S，体积为V，过冷液体中出现一个晶胚时的总的自由能变化（△G）：
△G＝- △GV+ △GS
= -V△GB+σS
= -(4/3)πr3△GB+4πr2σ
r＝rk,△G最大;称为临界晶核半径
r<rk,晶胚不稳定，瞬间形成瞬间消失
r>rk,晶胚成为稳定的晶核。
均匀形核
临界晶核
临界晶核半径rk
减小σ或增大△GB， rk减小。
增大过冷度， rk减小。
晶核的形成