单组元相图及凝固.ppt

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1、单组元相图及凝固现在学习的是第1页，共49页5.1 5.1 相律及单元系相图相律及单元系相图5.2 5.2 纯晶体的凝固纯晶体的凝固 由一种元素或化合物构成的晶体称为由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体单组元晶体或或纯晶体纯晶体，该体系，该体系称为称为单元系单元系。 从一种相到另一种相的转变称为从一种相到另一种相的转变称为相变相变，由液相至固相的转变，由液相至固相的转变称为称为凝固凝固，凝固后的固体是晶体，又称为，凝固后的固体是晶体，又称为结晶结晶；由不同固相之间的；由不同固相之间的转变称为转变称为固态相变固态相变，这些规律可借助于，这些规律可借助于相图相图直观简明地表示出来。直观简明地

2、表示出来。2022-9-4现在学习的是第2页，共49页5.1 5.1 相律及单元系相图相律及单元系相图 组成一个体系的基本单元（元素或化合物）称为组成一个体系的基本单元（元素或化合物）称为组元组元。体系中具有相同的物理和化学性质的、且与其他部分体系中具有相同的物理和化学性质的、且与其他部分以界面分开的均匀部分称为以界面分开的均匀部分称为相相。 5.1.1 相律相律2022-9-4现在学习的是第3页，共49页相律相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数（：表示在平衡条件下，系统的自由度数（f f）、）、组元数（组元数（c c）和平衡相数（）和平衡相数（p p）之间的关系，其数）之间的关系，其数学表

3、达式为：学表达式为：f -f -指不影响体系平衡状态的独立可变参数的指不影响体系平衡状态的独立可变参数的 数目。数目。2 -2 -指温度和压力指温度和压力, , 压力一般可以认为是常量压力一般可以认为是常量。2022-9-4现在学习的是第4页，共49页 相律给出了相律给出了平衡状态下平衡状态下体系中存在的体系中存在的相数与组相数与组元数及温度、压力之间的关系元数及温度、压力之间的关系，对分析和研究相，对分析和研究相图有重要的指导作用。图有重要的指导作用。2022-9-4现在学习的是第5页，共49页 (a)(a)温度与压力都能变温度与压力都能变 动的情况动的情况 (b)(b)只有温度能变动的只有

4、温度能变动的 情况情况 5.1.2 5.1.2 单元系相图单元系相图 单元系相图是通过单元系相图是通过几何图形几何图形描述单一组元构成的体系在描述单一组元构成的体系在不同不同温度和压力温度和压力条件下条件下可能存在的相及多相的平衡可能存在的相及多相的平衡。以。以水水为例说明单元为例说明单元系相图的表示方法。系相图的表示方法。2022-9-4现在学习的是第6页，共49页(a)(a)纯铁的相图纯铁的相图( (示意示意图图) )和和(b)(b)只有温度变只有温度变动的情况动的情况 2022-9-4现在学习的是第7页，共49页SiO2相平衡图相平衡图 2022-9-4现在学习的是第8页，共49页 1.

5、 1.过冷现象过冷现象 图图5.4 纯金属冷却曲线纯金属冷却曲线 Tm理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（熔点） Tn实际结晶温度实际结晶温度由图可见：开始由图可见：开始T，到，到Tm并不结并不结晶，而到晶，而到Tn 才开始结晶，结晶中才开始结晶，结晶中放出结晶潜热补偿了冷却时散失放出结晶潜热补偿了冷却时散失的热量，使的热量，使T不变，曲线上出现不变，曲线上出现“平平台台”，结晶完毕后，结晶完毕后，T又随又随而而。 5.2 5.2 纯晶体的凝固（结晶纯晶体的凝固（结晶 凝固凝固是由液相至固相的转变。如果凝固是由液相至固相的转变。如果凝固后的固体是晶体后的固体是晶体, , 我们又称之为我们又称之为

6、结晶结晶。 5.2.1 5.2.1 结晶现象结晶现象2022-9-4现在学习的是第9页，共49页金属的金属的TnTn总低于总低于TmTm这种现象，叫这种现象，叫过冷现象。过冷现象。金属的实际结晶温度（金属的实际结晶温度（TnTn）与理论结晶温度（）与理论结晶温度（TmTm）之差，称为）之差，称为过冷度，用过冷度，用TT表示。表示。T = Tm TnTT不是恒定不变的，它取决于：不是恒定不变的，它取决于： a. a.金属的纯度金属的纯度，T T ； b. b.冷却速度冷却速度，TnTn，TT。可见，过冷是金属结晶的必要条件可见，过冷是金属结晶的必要条件( (不过冷就不不过冷就不能结晶能结晶) )

7、。 2022-9-4现在学习的是第10页，共49页2. 2. 结晶的一般过程结晶的一般过程结晶：结晶：是晶体在液相中从无到有，由小变大的过程是晶体在液相中从无到有，由小变大的过程。从无到有可看作是晶体由从无到有可看作是晶体由“胚胎胚胎”到到“出生出生”的过程的过程，称为，称为生核生核；由小变大可以看作是晶体出生后的成；由小变大可以看作是晶体出生后的成长过程，叫长过程，叫长大长大。结晶过程可描述如下：。结晶过程可描述如下： 结晶的一般过程结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错重叠组是由形核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程。合而成的过程。 2022-9-4现在学习的是第11页，共49页 GL

8、，GS随随T而而，但，但 GLGS ，相交，相交， 交点对应的温度为交点对应的温度为Tm。 图图5.5 5.5 液、固相自由能随液、固相自由能随T T变化曲线变化曲线 5.2.2 5.2.2 结晶的热力学条件结晶的热力学条件 2022-9-4现在学习的是第12页，共49页讨论讨论: 当当T=Tm时，时，GL=GS ，动态平衡，不熔化也，动态平衡，不熔化也 不结不结 晶；晶； 当当TTm时，时，GLGS ，L稳定，发生熔化稳定，发生熔化 ； 当当TGS ，S稳定，稳定， 发生结晶。发生结晶。可见，可见，结晶的热力学条件结晶的热力学条件是：是： GSGL或或 G = GSGL0要满足此条件就要有要

9、满足此条件就要有T, 且且T, G。T 是是结晶的必要条件（外因）结晶的必要条件（外因）G 是结晶的驱动力是结晶的驱动力 （内因）（内因）2022-9-4现在学习的是第13页，共49页 如图所示，液态金属的结构介于气体（短程无序）和晶体（如图所示，液态金属的结构介于气体（短程无序）和晶体（长程有序）之间，即长程无序、短程有序。液态金属中存在许长程有序）之间，即长程无序、短程有序。液态金属中存在许多微小的规则排列的原子集团，称为多微小的规则排列的原子集团，称为“近程规则排列近程规则排列”。液态金属中处于时而形成、时而消失、不断变化的液态金属中处于时而形成、时而消失、不断变化的“近程规近程规则排列

10、则排列”的原子集团，称为的原子集团，称为结构起伏。结构起伏。2022-9-4现在学习的是第14页，共49页每一瞬间都出现大量尺寸不同的结构起伏，所以每一瞬间都出现大量尺寸不同的结构起伏，所以过冷液态中的结构起伏，是固态晶核的胚芽，称为过冷液态中的结构起伏，是固态晶核的胚芽，称为晶晶胚胚。晶胚达到一定尺寸，能稳定成长而不在消失，。晶胚达到一定尺寸，能稳定成长而不在消失，称为称为晶核晶核。 结晶的实质结晶的实质：就是从近程规则排列的液体变成远就是从近程规则排列的液体变成远程规则排列的固体过程。程规则排列的固体过程。 而实现这个过程靠而实现这个过程靠形核和长大形核和长大两个过程交错重叠两个过程交错重

11、叠组合而形成。组合而形成。 2022-9-4现在学习的是第15页，共49页 结晶条件不同，会出现两种不同的形核方式：结晶条件不同，会出现两种不同的形核方式：均匀形核：新相晶核是在母相中均匀生成，不均匀形核：新相晶核是在母相中均匀生成，不 受杂质粒子的影响。受杂质粒子的影响。 非均匀形核：新相优先在母相中存在的杂质处非均匀形核：新相优先在母相中存在的杂质处 形核。形核。 实际金属的结晶多以非均匀形核为主，但研究均匀实际金属的结晶多以非均匀形核为主，但研究均匀形核可以从本质上揭示形核规律，而且这种规律又适用形核可以从本质上揭示形核规律，而且这种规律又适用于非均匀形核。于非均匀形核。2022-9-4

12、现在学习的是第16页，共49页1. 1. 均匀形核均匀形核 金属晶核从过冷液相中以金属晶核从过冷液相中以结构起伏结构起伏为基础直接为基础直接涌现自发形成，这种方式为涌现自发形成，这种方式为均匀形核均匀形核。（1 1）形核时的能量变化）形核时的能量变化 在过冷液态金属中以在过冷液态金属中以结构起伏结构起伏为基础，先形成为基础，先形成晶胚晶胚，晶胚，晶胚能否形成能否形成晶核，由晶核，由两方面的自由能变化两方面的自由能变化所决定：所决定：1 1) ) L LS S体积自由能降低：体积自由能降低：GGV V是结晶的驱动力是结晶的驱动力。 2022-9-4现在学习的是第17页，共49页 G = rG =

13、 r3 3GGV V+ 4r+ 4r2 2 342) S S形成出现新的表面，使表面自由能增加：形成出现新的表面，使表面自由能增加：GGA A是是结晶的阻力结晶的阻力。两者之和就是：。两者之和就是：出现一个晶胚时总出现一个晶胚时总的自由能变化的自由能变化，用，用GG表示。表示。 G= G=GVL-SL-S + +GA = = VGV V+ +AGV 单位体积的单位体积的L S相自由能差相自由能差 GV = GSGL0 单位面积的表面能。单位面积的表面能。在一定温度下在一定温度下GV、是确定值，所以设晶胚是确定值，所以设晶胚为球形，半径为为球形，半径为r，则，则 G是是r的函数的函数:2022-

14、9-4现在学习的是第18页，共49页 可见，可见，G随随r的变化的变化曲线有一最大值，用曲线有一最大值，用G*表示。与表示。与G*相对应的晶相对应的晶胚半径称为胚半径称为临界晶核半径临界晶核半径，用，用r*表示。表示。G = 0 的晶的晶核半径用核半径用r0表示。表示。 图图5.6 G5.6 G随随r r的变化曲线的变化曲线 G = rG = r3 3GGV V+ 4r+ 4r2 2 342022-9-4现在学习的是第19页，共49页分析分析G r 曲线：曲线： 1）r r* 的晶胚的晶胚 因为一切自发过程都朝着因为一切自发过程都朝着G的方向进行，的方向进行，r r* 的晶胚的晶胚 因为长大，

15、使因为长大，使G能自发进行。所以能自发进行。所以一旦出现，不一旦出现，不在消失，能长大成为晶核在消失，能长大成为晶核。 当当 r r0时，因为时，因为G 0, 为为亚稳定晶核亚稳定晶核。2022-9-4现在学习的是第20页，共49页3）r = r* 的晶胚的晶胚 长大与消失的趋势相等，这种晶胚称为长大与消失的趋势相等，这种晶胚称为临临界晶核界晶核。r* 为为临界晶核半径临界晶核半径。 可见，在过冷液体中，不是所有的晶胚都可见，在过冷液体中，不是所有的晶胚都能成为稳定晶核，能成为稳定晶核，只有达到临界半径的晶胚才只有达到临界半径的晶胚才可能成为晶核可能成为晶核。2022-9-4现在学习的是第21

16、页，共49页 r* G* 有有0rGGv2（2）求）求r*的大小（用求最大值法）的大小（用求最大值法）G = r3GV + 4r2求导求导 4r2GV +8r= 0 4r*2GV + 8r* = 0r* = - -342022-9-4现在学习的是第22页，共49页 TmT经研究表明：经研究表明： T对对影响甚微，影响甚微， 所以认为所以认为与与T无关。但无关。但T对对GV的影响很大。由的影响很大。由L、S相相G随随T的变化曲线可以看出：的变化曲线可以看出：GV为为T的函数，并可的函数，并可证明它们之间有如下关系：证明它们之间有如下关系：Gv = -Lm Tm 理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（

17、熔点） Lm 单位体积的结晶潜热。单位体积的结晶潜热。2022-9-4现在学习的是第23页，共49页TLmTm2将此式代入将此式代入r* 中得：中得： r* = 可见，可见，r r* * 与与 T T 成反比，即成反比，即 TT，r r* *，见，见图图5.75.7，r r* * T T 关系曲线。关系曲线。 但过冷液体中各种尺寸的晶胚分布也随但过冷液体中各种尺寸的晶胚分布也随T变化，变化，T晶胚分布中最大尺寸的晶胚半径晶胚分布中最大尺寸的晶胚半径rmax，见，见图图5.8，rmax T 关系曲线。关系曲线。2022-9-4现在学习的是第24页，共49页图图5.7 r5.7 r* * T T

18、关系曲线关系曲线图图5.8 r5.8 rmaxmax T T 关系曲线关系曲线 2022-9-4现在学习的是第25页，共49页图图5.9 r*、rmaxT 关系曲线关系曲线 当当T T*时，时， rmax T*时，时， rmax r*，结晶易于进行。，结晶易于进行。 两图结合得下图：两图结合得下图：2022-9-4现在学习的是第26页，共49页（3）形核功）形核功Gv2 由由G r G r 曲线可知：在曲线可知：在r rr r* * 时，长大使时，长大使GG，但，但在在r r* *与与 r r0之间，之间，GG为正值。说明，为正值。说明， GVL-S还不能完还不能完全补偿全补偿GGA，还需要提

19、供一定的能量。这部分为形，还需要提供一定的能量。这部分为形核而提供的能量叫核而提供的能量叫形核功形核功。 形成临界晶核所需要的能量形成临界晶核所需要的能量称为称为临界形核功临界形核功。数数值上等于值上等于GG* * 。 将将 r* = - - 代入代入 G* = - - r*3 + 4r*2 = 4r*2 = A*34*r23131A A* * 为临界晶核的表面积为临界晶核的表面积2022-9-4现在学习的是第27页，共49页可见：可见：形成临界晶核时，体积自由能形成临界晶核时，体积自由能GVL-S只能只能补偿补偿2/3表面能表面能GA，还有，还有1/3的表面能必须由系统的表面能必须由系统的的

20、能量起伏能量起伏来提供来提供。能量起伏：系统能量是各小体积能量的平均值，是一能量起伏：系统能量是各小体积能量的平均值，是一定的。各小体积能量并不相等，有的高、有的低，总定的。各小体积能量并不相等，有的高、有的低，总是在变化之中。是在变化之中。系统中各微小体积的能量偏离系系统中各微小体积的能量偏离系统平均能量的现象统平均能量的现象，称为，称为能量起伏能量起伏。总之，均匀形核是在过冷液相中靠总之，均匀形核是在过冷液相中靠结构起伏结构起伏和和能量能量起伏起伏来实现的。来实现的。 2022-9-4现在学习的是第28页，共49页KTG*kTQNNNN（4 4）形核率）形核率单位时间、单位体积液相中形成的

21、晶核数目（单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目（晶核数目晶核数目/cm/cm3 3s s）。）。 对于实际生产非常重要，对于实际生产非常重要， 高意味着单位体积内的晶高意味着单位体积内的晶核数目多，结晶结束后可以获得细小晶粒的金属材料，核数目多，结晶结束后可以获得细小晶粒的金属材料，这种金属材料不但强度高，塑性、韧性也好。这种金属材料不但强度高，塑性、韧性也好。形核率受形核率受两个因素两个因素控制：控制：= kN1N2 = kexp( )exp( ) 2022-9-4现在学习的是第29页，共49页 N N1 1 为受为受形核功形核功影响的形核率影响的形核率因子。因子。 随随T,T,GT,T,

22、G* *,N,N1 1.N N2 2 受受原子扩散能力原子扩散能力影响的影响的形核率因子。形核率因子。随随T,T,原子扩散能力原子扩散能力,N,N2 2 是是N N1 1 N N2 2 的综合，曲线上出现极大值。的综合，曲线上出现极大值。 即即T T高时，由形核功控制，高时，由形核功控制，T T低时，受原子扩散能力低时，受原子扩散能力的控制。只有的控制。只有T T适当，适当，N N1 1 N N2 2 均较大时，出现极大均较大时，出现极大值。值。 N2022-9-4现在学习的是第30页，共49页可见，在到达一定的过冷度之前，液态金属中基本不形核可见，在到达一定的过冷度之前，液态金属中基本不形核

23、，一但温度降至某一温度时，一但温度降至某一温度时， 急增。急增。 由于一般金属的晶体结构简单，凝固倾向大，在由于一般金属的晶体结构简单，凝固倾向大，在达到曲线的极大值之前早已凝固完毕，所以看不到达到曲线的极大值之前早已凝固完毕，所以看不到曲线的下降部分。曲线的下降部分。 N2022-9-4现在学习的是第31页，共49页2. 2. 非均匀形核非均匀形核 依附在已存在于液相中的依附在已存在于液相中的固态现成界面固态现成界面或或容器容器表面表面上形核的方式。上形核的方式。 非均匀形核规律和均匀形核基本相同，所非均匀形核规律和均匀形核基本相同，所不同的不同的是是：依附于固态现成表面上形核，界面能：依附

24、于固态现成表面上形核，界面能，结晶阻力，结晶阻力，所需的形核功小了。，所需的形核功小了。 在现成的基底上形成一个晶核时其能量变化在现成的基底上形成一个晶核时其能量变化，然后再计算非均匀形核的，然后再计算非均匀形核的r r* *和形核功。和形核功。2022-9-4现在学习的是第32页，共49页图图6.10 非均匀形核示意图非均匀形核示意图 晶核与基底接触角，称晶核与基底接触角，称湿润角湿润角。 l l 晶核与液相之间的表面能。晶核与液相之间的表面能。 ww 晶核与基底之间的表面能。晶核与基底之间的表面能。 lwlw 液相与基底之间的表面能。液相与基底之间的表面能。 设液相设液相L中有杂中有杂质颗

25、粒质颗粒w，在其表面，在其表面形成晶核形成晶核，晶核为，晶核为球冠状，曲率半径为球冠状，曲率半径为r。2022-9-4现在学习的是第33页，共49页 当晶核稳定存在时，三种表面张力在交点处达当晶核稳定存在时，三种表面张力在交点处达到平衡：到平衡： LWLW = =WW+LL cos cos 准备工作：准备工作： 球冠体积：球冠体积： V V = r= r3 3（23cos + cos23cos + cos3 3 ） 晶核与液体的接触面积：晶核与液体的接触面积：A AL L = 2r= 2r2 2（1-cos1-cos） 晶体与杂质的接触面积：晶体与杂质的接触面积：A AWW = r = r2

26、2 sinsin2 2 312022-9-4现在学习的是第34页，共49页3131344cos 3cos - 23 在现成基底在现成基底WW上，形成一个晶核时总的自由能变上，形成一个晶核时总的自由能变化为化为GG非非: :G非非 = VGV + Aii = V V GGV V + A + ALL LL + A + AWW WW - A - AWW LWLW = V V GGV V + A + ALL LL + A + AWW ( (WW - - LWLW) ) = V V GGV V + A + ALL LL + A + AWW(-(-LLcos)cos) = V V GGV V + +LL(

27、A(ALL - A - AWWcos)cos) = r r3 3(2-3cos+cos(2-3cos+cos3 3)G)GV V+LL2r2r2 2(1-cos)-r(1-cos)-r2 2sinsin2 2coscos = r r3 3(2-3cos+cos(2-3cos+cos3 3)G)GV V+r+r2 2 LL(2-3cos + cos(2-3cos + cos3 3) )=( r( r3 3GGV V+4r+4r2 2 LL)( )( )2022-9-4现在学习的是第35页，共49页（2 2）求）求GG* *非非 = = ？34 GG* *非非=- r=- r* *非非3 3(2(

28、2LL/r/r* *非非)+4r)+4r* *2 2 LL( )( ) =4r =4r* *非非2 2 LL( ) ( ) 4cos 3cos - 234cos 3cos - 23 可见：非均匀形核的可见：非均匀形核的GG* *非非受受r r* *非非与与 两个因素的影响。两个因素的影响。 由于由于 r r* *非非 = r= r* * ，所以我们只讨论，所以我们只讨论 不同时不同时GG* *非非的变化。的变化。2022-9-4现在学习的是第36页，共49页4cos 3cos - 231 1）= 0= 0时时, G, G* *非非 = 0 = 0 说明说明杂质本身就是晶核杂质本身就是晶核, ,

29、不需要形不需要形核功。核功。2 2）= 180= 180时时, G, G* *非非 =G=G* *, , 相当于均匀形核相当于均匀形核, , 基底不起基底不起作用作用。3 3）一般）一般 在在0-1800-180之间变化。之间变化。 GG* *非非/G/G* * =( ) = 0-1 =( ) = 0-1所以所以,G,G* *非非 G G* *，即非均匀形核所需的，即非均匀形核所需的GG* *非非总是小于总是小于均匀形核的均匀形核的GG* *, , 表明表明基底总会促进晶核的形成基底总会促进晶核的形成。而。而，非均匀形核越容易，那么，影响，非均匀形核越容易，那么，影响 角的因素是什么呢角的因素

30、是什么呢？2022-9-4现在学习的是第37页，共49页由前面可知：由前面可知：cos =cos =（ LWLW - -WW）/LL 当液态金属确定后，当液态金属确定后， LL值固定不变，那么值固定不变，那么 只取只取决于（决于（ LWLW - -WW）的差值。要使）的差值。要使，应使，应使cos1cos1。只有只有 WW时，时， LL越接近越接近 LWLW ，coscos才越接近于才越接近于1 1。即，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催即，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催化效应就越高。化效应就越高。2022-9-4现在学习的是第38页，共49页 人们在这方面的认识还不全面，主要

31、还是靠人们在这方面的认识还不全面，主要还是靠经验，加一些形核剂，促进非自发形核，经验，加一些形核剂，促进非自发形核， ，达到细化组织，改善性能的目的。达到细化组织，改善性能的目的。如：如：FeFe能促进能促进CuCu的非均匀形核；的非均匀形核；TiTi能促进能促进AlAl的非均匀的非均匀形核。形核。N2022-9-4现在学习的是第39页，共49页NT 较小时较小时 N*非非 较大较大 N* 较小较小N0.2Tm0.02Tm（1）（2）T（1 1）非均匀形核率）非均匀形核率（2 2）均匀形核率）均匀形核率 非均匀形核率取决于以下因素：非均匀形核率取决于以下因素： 1 1）过冷度）过冷度， ； 2

32、 2）外来夹杂）外来夹杂， ；液体金属的过热；液体金属的过热, , 。 上图说明：上图说明：TT相同时，相同时，r r* * = r = r* *非非，但非均匀形核时，但非均匀形核时，r r* *非非只决只决定定r r，而，而 才决定晶核的形状和大小。才决定晶核的形状和大小。NNN2022-9-4现在学习的是第40页，共49页5.2.5 5.2.5 长大规律长大规律 对一个晶核的发展过程来说，稳定晶核出现后，马上就对一个晶核的发展过程来说，稳定晶核出现后，马上就进入了长大阶段。进入了长大阶段。晶体长大晶体长大 宏观上宏观上看：是晶体看：是晶体界面界面向液相中的逐步向液相中的逐步推移推移； 微观

33、上微观上看：是看：是原子原子由液相中由液相中扩散扩散到晶体表面上。到晶体表面上。所以晶体长大是有条件的所以晶体长大是有条件的：要求要求液相液相能不断地向晶体扩散，能不断地向晶体扩散，供应原子供应原子。要求要求晶体表面晶体表面能不断并牢固地能不断并牢固地接纳原子接纳原子。 一般来说，原子的供应是不困难的，而晶体表面接一般来说，原子的供应是不困难的，而晶体表面接纳原子的方式会由于晶体表面情况不同而不同，就出现纳原子的方式会由于晶体表面情况不同而不同，就出现了不同的晶体长大机制。了不同的晶体长大机制。2022-9-4现在学习的是第41页，共49页一一. . 晶体的长大机制晶体的长大机制1. 1.垂直

34、长大机制（连续长大）垂直长大机制（连续长大）L 在在粗糙界面粗糙界面上，液相原子可以连续、垂直地向界面添加，界上，液相原子可以连续、垂直地向界面添加，界面的性质永远不会改变。从而使界面迅速的向液相推移，这种面的性质永远不会改变。从而使界面迅速的向液相推移，这种长大方式称为长大方式称为垂直长大垂直长大方式，它的方式，它的长大速度较快长大速度较快，与，与TT成正成正比，大多数金属晶体均以这种方式长大。比，大多数金属晶体均以这种方式长大。Vg = KVg = K1TT 2022-9-4现在学习的是第42页，共49页2. 2. 二维晶核长大机制二维晶核长大机制 当固液界面为当固液界面为光滑界面光滑界面

35、时，晶体长大只能依靠二维晶核，时，晶体长大只能依靠二维晶核，即依靠即依靠L L中的中的结构起伏和能量起伏结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团，落到，使一定大小的原子集团，落到光滑界面上，光滑界面上，形成具有一个原子厚度并且大于临界半径的晶形成具有一个原子厚度并且大于临界半径的晶核核，即为，即为二维晶核二维晶核。二维晶核形成后，四周出现了台阶，。二维晶核形成后，四周出现了台阶，L L中中的原子靠边缘长上去，长满后再形成一个二维晶核再扩展，见的原子靠边缘长上去，长满后再形成一个二维晶核再扩展，见图图5.165.16。晶体以这种方式长大时，其晶体以这种方式长大时，其长大长大 速速度十分缓慢度十分

36、缓慢。 长大速度：单位时间内晶核长大的线长大速度：单位时间内晶核长大的线速度，用速度，用VgVg表示。表示。 Vg = KVg = K2e e-B/T图图5.16 5.16 二维晶核机制示意图二维晶核机制示意图2022-9-4现在学习的是第43页，共49页实际金属都不是理想晶体，内部存在着各种缺陷。实际金属都不是理想晶体，内部存在着各种缺陷。 如在如在光滑界面光滑界面上出现一个上出现一个螺位错露头螺位错露头，见图，见图5.175.17。它在晶体表面形成台阶。使它在晶体表面形成台阶。使L L中原子堆砌到台阶处，每中原子堆砌到台阶处，每铺一排原子，台阶就向前移动一个原子间距。它的铺一排原子，台阶就

37、向前移动一个原子间距。它的长大速度长大速度比二维晶核长大方式比二维晶核长大方式快快得多。得多。 Vg =KVg =K3 3TT2 2 图图5.17 5.17 螺型位错螺型位错 台阶台阶机制示意图机制示意图2022-9-4现在学习的是第44页，共49页二二. .长大方式长大方式 根据晶体的界面性质及界面温度分布，对纯金根据晶体的界面性质及界面温度分布，对纯金属其长大方式主要有两种：属其长大方式主要有两种：a) 平面长大平面长大 晶体始终保持平的表面向前长大，并保持晶体始终保持平的表面向前长大，并保持规则的几何外形。规则的几何外形。b) 枝晶长大枝晶长大 晶体向树枝那样向前长大，不断分支发展。晶体

38、向树枝那样向前长大，不断分支发展。 晶体是晶体是以平面方式长大还是以枝晶方式长大以平面方式长大还是以枝晶方式长大，主要主要取决于取决于液固界面前沿液体中的液固界面前沿液体中的温度梯度温度梯度。2022-9-4现在学习的是第45页，共49页1 1正的温度梯度正的温度梯度T T界面界面固固 液液过冷度过冷度距离距离Tm L L中存在中存在正的温度梯度正的温度梯度，以，以平面方式长大平面方式长大。当界面上偶有突出长大部分伸入到当界面上偶有突出长大部分伸入到T T较高的较高的L L中时，它的中时，它的长大速度会长大速度会，甚至会停止。而周围晶体会很快赶上来，甚至会停止。而周围晶体会很快赶上来，突出部分

39、消失，恢复到平面状态。突出部分消失，恢复到平面状态。2022-9-4现在学习的是第46页，共49页TTmTm固固 液液过冷度过冷度距离距离 L中存在中存在负的温度梯度负的温度梯度，以，以枝晶方式长大枝晶方式长大。在长大中如有突出部分，必然伸到在长大中如有突出部分，必然伸到T较低的较低的L中而中而继续长大，它的长大速度比周围更迅速，而且又继续长大，它的长大速度比周围更迅速，而且又会生长出新的枝晶，导致枝晶方式长大。会生长出新的枝晶，导致枝晶方式长大。2 2负的温度梯度负的温度梯度2022-9-4现在学习的是第47页，共49页VgNVgNVgN 晶粒的大小晶粒的大小取决于形核率和长大速度取决于形核率和长大速度VgVg的相对大的相对大小，根据分析计算，小，根据分析计算，单位体积中的晶粒数目单位体积中的晶粒数目ZvZv为为：Zv = 0.9（ ）3/4单位面积中的晶粒数目单位面积中的晶粒数目ZsZs为：为： Zs = 1.1（ ）1/2可见，比值可见，比值 ，Zv，Zs，晶粒越细小。，晶粒越细小。即：即：凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒晶粒。2022-9-4现在学习的是第48页，共49页 NNNN2022-9-4现在学习的是第49页，共49页