材料科学基础--凝固_ppt课件

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1、第四章金属的凝固熔化炼钢浇注炼铜凝固：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。多数材料都要经过凝固过程。凝固过程影响材料组织、后续工艺性能、使用性能和寿命。了解凝固过程，对控制铸件的质量，提高金属制品的质量十分有益。凝固可为其它相变的研究提供基础。4.1液态金属的性质从宏观性质推断：熔化体积变化小，原子间距接近固体熔化热较小，键的变化较小；正电阻温度系数，仍是金属键；热容变化小，原子运动特性差别小；熔化熵较小，典型金属<10J/mol·K，L与S相近的结合键和结合力。(2)凝固的热力学条件根据热力学第二定律，过程自动向G降低的方向进行等

2、压时G-T曲线均为负斜率，但是L相由于S较大，斜率更大。在适当温度-熔点，二者相交结晶的驱动力在一定温度下因为H=HS-HL-LM;S-LM/TM△T>0,△Gv<0过冷度越大，一般越有利于凝固。△G的绝对值为凝固过程的驱动力。适度过冷是凝固的必要条件（3）结晶过程结晶的基本过程：形核－长大。固体从无到有，从小到大。直到液体消失，或固体相遇为止。描述结晶进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。(4)结晶的结构条件液体中存在着不断变换着的近程

3、有序原子集团，大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏（或晶胚）。温度越低，结构起伏尺寸越大，存在时间延长。结晶时部分尺寸较大、稳定时间较长的有序团块长大成为晶粒。结构起伏（相起伏）是结晶的结构条件。4.3形核形核：在母相中形成可以长大的新相小颗粒（晶体）的过程。形核方式有两种均匀形核：新相晶核不依赖任何外部条件，在遍及母相的整个体积内均匀形成，理想非均匀形核：新相晶核在一些有利位置形成。例如在已经存在的固体表面形核。常见4.3.1均匀形核（1）形核时的能量变化在低于熔点时，当液体中出现晶坯时，由于部分原子

4、由液态转变为固态，使体系的自由能降低（固、液相之间的体积自由能差）；同时，晶坯中的原子组成了晶态的规则排列，而其外层原子却与液体金属中不规则排列的原子相接触而构成界面。由于晶坯构成新的表面，又会引起表面自由能的增加（单位面积表面能）。(1)形核时的能量变化假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化V、A：晶胚的体积及表面面积，ΔGV：单位体积液、固两相自由能差，由于体系冷却到熔点以下，ΔGV<0如果晶胚尺寸小于临界值，生长时G上升，不稳定，将会重新熔化；r>rk，自发生长。即只有大于rk的晶胚才能成为晶体生长的核心。（2）临界晶核根

5、据极值条件，上式对r求导数并令其等于零，可求得临界晶核半径将GV与过冷度的关系代入上式，可得到过冷度越大，临界半径越小。形核要求一定的过冷度。（3）形核功形成临界尺寸晶核，体系能量上升的幅度称为形核功能量条件形成临界晶核时，表面能增量形核功是过冷液体开始形核时的主要障碍形核功来自何方？在没有外部供给能量的条件下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给液体中客观存在的结构起伏和能量起伏是促成形核的必要因素。（4）形核率单位时间单位体积液体中新增加晶核的数量，N形核率取决于形核功与液相原子活动性两个因素驱动力因素：原子移动因素：过冷度与形核率4.3.2非均匀形核液

6、体金属中常有一些固体颗粒，另外金属结晶时一般要和容器内壁接触，它们与液体之间存在现成的界面。非均匀形核发生在界面能阻力较小的部位，一般就在已经存在的固体表面。需要的形核功较小。（1）形核时能量变化假如晶核形状是截自半径为r圆球的球缺，截面半径为R，晶核形成时体系总的自由能变化为V：晶核体积ΔGV：单位体积的固液两相自由能之差ΔGS：晶核形成时体系增加的表面能表面能变化新生界面2处：S/W，AS/W；S/L，AS/L消失界面1处：L/W,AL/W;AL/W=AS/W利用面积公式和平衡关系体积自由焓变化由几何学可知：球缺体积与均匀形核相比，只是最后的角度项不

7、同（2）临界半径与形核功晶核的临界半径（与均匀形核相同）形核功除了=180°，非均匀形核形核功较小。接触角（润湿角）的作用润湿角反映了SW的大小，基底与金属结构、晶格常数越相似，润湿角越小。极端情况下，S=W，润湿角趋于零，形核功为零。基底表面曲率的影响在接触角一定时，表面曲率影响晶核的体积与形核功；凹形表面晶核体积最小，例如表面凹凸不平或存在微裂纹、微孔促进形核。形核率与过冷度因形核功较小，非均匀形核时在较小的过冷度下可获得较高的形核率；受有利位置的限制，最大形核率小于均匀形核（1）均匀形核（2）非均匀形核实际结晶时的形核大块金属一般过冷度几度，非均匀

8、形核；液滴或把金属封装在玻璃里等极端条