材料科学基础第6章材料的凝固与气相沉积ppt课件.ppt

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1、第6章材料的凝固与气相沉积熔化炼钢浇注炼铜凝固：物质从液态到固态的转变过程。结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。作用：①凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命；②凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。第1节材料凝固时晶核的形成一、材料结晶的基本规律1、液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。特点（与固态相比）：①原子间距较大；②原子配位数较小；③原子排列较混乱。金属气态、液态和固态的原子排列示意图2过冷现象1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。定义：液体材料的实际结晶温度（Tn

2、）低于理论结晶温度(Tm)的现象。即在Tm以下金属仍处于液态。作用：过冷是凝固的必要条件。过冷→自由能下降（ΔG↓）→产生驱动力。TnTmT（℃）2）过冷度：液体材料的理论结晶温度Tm与其实际温度Tn之差。△T=Tm-Tn凝固过程总是在一定的过冷度下进行，即过冷度是凝固的充分条件。一般为10℃-30℃；冷却速度愈大、过冷度愈大。3、结晶的过程形核与长大。1）形核（1）定义液体中最初形成分的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体（晶核）的过程。（2）形核的方式①自发形核从过冷液体中直接产生晶核，但需要很大的过冷度。

3、Fe需要ΔT=295℃；Ni需要ΔT=319℃。均匀形核②非自发形核依附于杂质微粒的表面或容器壁表面产生的核；过冷度小10~30℃；为主导形核方式。非均匀形核示意图2）晶粒长大（1）以枝晶状长大；（2）有选择性：散热条件好的方向利于长大。结晶前沿锑锭树枝状晶描述结晶进程的两个参数：①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。②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。二、材料结晶的基本条件1、热力学条件（1）G-T曲线a是下降曲线：由G-T函数的一次导

4、数（负）确定：dG/dT=-Sb是上凸曲线：由二次导数（负）确定：d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定：二曲线相交于一点，即材料的熔点。（2）热力学条件△Gv=－Lm△T/Tm式中，-Lm=HS-HL。a△T>0,△Gv<0：过冷是结晶的必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小：过冷度越大，越有利于结晶。c△Gv的绝对值：为凝固过程的驱动力。H是焓；T是绝对温度；S是熵因此，要使ΔGv＜0，必须使ΔT＞0，即T＜Tm，故ΔT称为过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应

5、低于熔点Tm，即需要有过冷度。2、结构条件（1）液态结构模型：微晶无序模型与拓扑无序模型。（2）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（之二）。出现几率结构起伏大小三、晶核的形成均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无规则地均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ式中，σ为比表面能，可用表面张力表示。©2003Brooks/Cole,adivisionof

6、ThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.(2)临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。(3)临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度△Tk：形成临界晶核时的过冷度。△T≥△Tk是结晶必要条件。不同结晶温度下r和ΔG的关系rk=-2σTm/Lm△T（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3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

7、能量水平而高低不一的现象。是结晶的必要条件之三。。L-S的体积自由能差可补偿临界晶核所需表面能的2/3；而另外1/3则依靠液体中存在的能量起伏来补偿。（5）形核率与过冷度的关系N=N1(∆GK)•N2(∆GA)受N1(形核）和N2（扩散）两因素控制；形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步增大而减小。形核率突然增大的温度称为有效形核温度，此时对应的过冷变称临界过冷度约等于0.2Tm。2非均匀形核依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容器壁）上形成的

8、过程。（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由能变化：表达式与均匀形核类似。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.（3）临界形核功利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系，计算能量变化和临界形核功：σlw=σsw+σslcosθ△Gk非/