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1、1Chapter3–PrinciplesofSolidification凝固原理材料科学基础李谦–宁向梅主讲2ObjectivesofChapter3Studytheprinciplesofsolidificationastheyapplytopuremetals.Examinethemechanismsbywhichsolidificationoccurs.Examinehowtechniquessuchaswelding,brazing,andsolderingareusedforjoiningmetals.3ChapterOutline3.1金属结晶的条件和

2、一般过程3.2晶核的形成(Nucleation)3.3晶体的长大(Growth)3.4晶粒大小及其控制物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是指物质状态的变化，并不考虑固态的结构。只有物质从液态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属（晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一次结晶，后者称为二次结晶或重结晶。它们都属相变过程。4热分析法研究材料的凝固过程是把液态金属置于容器中缓慢冷却，通过测定温度与时间的关系—冷却曲线来分析的。在没有相变发生

3、的情况下，金属在液态或固态的冷却过程中，温度随时间而直线下降。在结晶过程中，由于结晶潜热的释放，补充了甚至超过了容器的散热量，从而在冷却曲线上出现温度下降缓慢，或保持不变甚至还有回升的现。由此确定结晶开始和结晶终了的温度和时间。金属熔点或凝固点，就是结晶的理论温度Tm）。实际开始结晶的温度Tn，总是低于Tm，称为过冷现象。过冷度ΔT=Tm-Tn。冷却速度越大。则过冷度越大，即实际结晶温度越低。对于一定的金属来说，过冷度有一最小的临界过冷度，若过冷度小于此值结晶过程就不能进行。Section3.1金属结晶的条件和一般过程3.1.1冷却曲线与过冷(undercooli

4、ng)现象5Recalescence-Theincreaseintemperatureofanundercooledliquidmetalasaresultoftheliberationofheatduringnucleation.Thermalarrest-Aplateauonthecoolingcurveduringthesolidificationofamaterialcausedbytheevolutionofthelatentheatoffusionduringsolidification.Totalsolidificationtime-Thetimer

5、equiredforthecastingtosolidifycompletelyafterthecastinghasbeenpoured.Localsolidificationtime-Thetimerequiredforaparticularlocationinacastingtosolidifyoncenucleationhasbegun.CoolingCurves6Figure(a)Coolingcurveforapuremetalthathasnotbeenwellinoculated.Liquidcoolsasspecificheatisremoved(

6、betweenspointsAandB).Undercoolingisthusnecessary(betweenpointsBandC).Asthenucleationbegins(pointC),latentheatoffusionisreleasedcausinganincreaseinthetemperatureoftheliquid.Thisprocessisknownasrecalescence(pointCtopointD).Metalcontinuestosolidifyataconstanttemperature(Tmelting).Atpoint

7、E,solidificationiscomplete.Solidcastingcontinuestocoolfromthepoint.(b)Coolingcurveforawellinoculated,butotherwisepuremetal.Noundercoolingisneeded.Recalescenceisnotobserved.Solidificationbeginsatthemeltingtemperature7由热力学第二定律-等温等压下，系统总是从自由能较高的状态向自由能较低的状态自发转变。（最小自由能原理）液态和固态的体积自由能，都随温度的升

8、高而降低。