第二章纯金属的结晶PPT讲稿.ppt

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1、第二章纯金属的结晶第二章纯金属的结晶第1页，共72页，编辑于2022年，星期三第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶u物质由液态到固态的转变过程称为凝固。物质由液态到固态的转变过程称为凝固。u如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。u金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种

2、型材、棒材、板材和线材。材和线材。u金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。第2页，共72页，编辑于2022年，星期三第一节第一节 金属结晶的现象金属结晶的现象图 结晶示意图第3页，共72页，编辑于2022年，星期三第4页，共72页，编辑于2022年，星期三图图 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线从从温温度度时时间间曲曲线线（冷冷却却曲曲线线）可可见见，纯纯金金属属结结晶晶有有两两个个宏宏观观现现象：象：过冷过冷和和恒温恒温。纯纯金金属属的的实实际际凝凝固固

3、温温度度Tn总总比比其其熔熔点点Tm低低，这这种种现现象象叫叫做做过冷。过冷。Tm与与Tn的的差差值值T叫叫做做过过冷冷度。度。结晶的过冷现象：结晶的过冷现象：2.1.1结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象第5页，共72页，编辑于2022年，星期三不不同同金金属属的的过过冷冷倾倾向向不不同同，同同一一种种金金属属的的过过冷冷度度也也不不是是恒恒定定值值，它它将将随随实实验验条条件件而而变变。冷冷却却速速度度增增大大，会会使使金金属属凝凝固固时时的的过过冷冷度度增大。增大。过冷是金属凝固的必要条件。过冷是金属凝固的必要条件。金金属属由由液液体体冷冷凝凝成成固固体体时时要要放放出出凝凝固固潜潜热热

4、，如如果果这这一一部部分分热热量恰好能补偿系统向环境散失的热量，凝固将在恒温下进行。量恰好能补偿系统向环境散失的热量，凝固将在恒温下进行。纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。第6页，共72页，编辑于2022年，星期三结晶潜热结晶潜热相相变变潜潜热热：1mol1mol物物质质从从一一个个相相转转变变为为另另一一个个相相时时，伴伴随随着放出或吸收的热量称为相变潜热。着放出或吸收的热量称为相变潜热。熔熔化化潜潜热热：金金属属熔熔化化时时从从固固相相转转变变为为液液相相所所吸吸收收的的热量。热量。结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相所放出的热量。结晶潜热：金

5、属结晶时从液相转变为固相所放出的热量。第7页，共72页，编辑于2022年，星期三图 金属气态、液态和固态的原子排列示意图 2.1.2金属结晶的微观现象金属结晶的微观现象第8页，共72页，编辑于2022年，星期三当当液液态态金金属属冷冷却却到到熔熔点点Tm以以下下的的某某一一温温度度开开始始结结晶晶时时，在在液液体体中中首首先先形形成成一一些些稳稳定定的的微微小小晶晶体体，称称为为晶晶核核。随随后后这这些些晶晶核核逐逐渐渐长长大大，与与此此同同时时，在在液液态态金金属属中中又又形形成成一一些些新新的的稳稳定定的的晶晶核核并并长长大大。这这一一过过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒

6、组织。程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。单单位位时时间间、单单位位液液态态金金属属中中形形成成的的晶晶核核数数叫叫做做形形核核率率，用用N表表示示，单单位位为为cm-3s-1。单单位位时时间间内内晶晶核核增增长长的的线线长长度度叫叫做做长长大大速速度度，用用u表示，单位为表示，单位为cms-1。液液态态金金属属的的结结晶晶过过程程乃乃是是由由形形核核和和长长大大两两个个基基本本过过程程所所组组成成，并且这两个过程是同时并进的。并且这两个过程是同时并进的。第9页，共72页，编辑于2022年，星期三图 金属结晶过程示意图 第10页，共72页，编辑于2022年，星期三压力可视为

7、常数，压力可视为常数，dp=0dp=0 温温度度升升高高，原原子子活活动动能能力力提提高高，因因而而原原子子排排列列的的混混乱乱程程度度增增加加，即即熵熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。结晶的热力学条件：结晶的热力学条件：热力学指出，金属的状态不同，则其自由能也不同。热力学指出，金属的状态不同，则其自由能也不同。第二节第二节 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件第11页，共72页，编辑于2022年，星期三图图 吉布斯自由能随温度变化的关系吉布斯自由能随温度变化的关系 TTm,GLGS,处于液态；处于液态；T=Tm,GL=GS,两两相相共共存；

8、存；TGS,处处 于于 固固相相。液液固固两两相相的的自自由由能能差差是是发发生生相相转转变变（L-S）的的驱动力。驱动力。第12页，共72页，编辑于2022年，星期三当液相向固相转变时，单位体积自由能当液相向固相转变时，单位体积自由能GGv v的变化为：的变化为：即GV与T呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。第13页，共72页，编辑于2022年，星期三结构起伏：结构起伏：液液态态金金属属中中的的原原子子小小集集团团时时聚聚时时散散，时时起起时时伏伏，此此起起彼彼伏伏，处处在在不不断断变变化和运动过程中。化和运动过程中。在在每每一一温温度度下下出出

9、现现的的相相起起伏伏存存在在着着一一个个极极限限值值rmax，r rmaxmax的的尺尺寸寸大大小小与与温温度度有有关关。温温度度越越高高，则则r rmaxmax尺尺寸寸越越小小；温温度度越越低低，r rmaxmax尺尺寸寸越大。越大。只只有有在在过过冷冷液液体体中中出出现现的的尺尺寸寸较较大大的的相相起起伏伏才才有有可可能能在在结结晶晶时时转转变称为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽，称为晶胚。变称为晶核，这些相起伏就是晶核的胚芽，称为晶胚。液液态态金金属属的的一一个个重重要要特特点点是是存存在在着着相相起起伏伏，只只有有在在过过冷冷液液体体中中的的相相起伏才能称为晶胚。起伏才能称为晶胚。第三节

10、第三节 金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件第14页，共72页，编辑于2022年，星期三第四节第四节 晶核的形成晶核的形成自自发发形形核核(均均匀匀形形核核)：在在液液态态金金属属中中，存存在在大大量量尺尺寸寸不不同同的的短短程程有有序序的的原原子子集集团团。当当温温度度降降到到结结晶晶温温度度以以下下时时，短短程程有有序序的的原原子子集集团团变变得得稳稳定定，不不再再消消失失，成成为为结结晶晶核核心心。这这个过程叫自发形核。个过程叫自发形核。非非自自发发形形核核（非非均均匀匀形形核核）：实实际际金金属属内内部部往往往往含含有有许许多多其其它它杂杂质质。当当液液态态金金属属降降到到一一定定温温

11、度度后后，有有些些杂杂质质可可附附着着金金属属原原子子，成成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。为结晶核心，这个过程叫非自发形核。图 均匀形核图 非均匀形核第15页，共72页，编辑于2022年，星期三1.形核时的能量变化和临界晶核半径形核时的能量变化和临界晶核半径在在液液态态金金属属中中，时时聚聚时时散散的的近近程程有有序序的的原原子子集集团团是是形形成成晶晶核核的胚芽，叫晶胚。的胚芽，叫晶胚。等于或大于临界尺寸的晶胚即为晶核。等于或大于临界尺寸的晶胚即为晶核。在在过过冷冷条条件件下下，晶晶胚胚形形成成时时，系系统统自自由由能能变变化化包包括括体体积积自自由由能能的的下下降和表面能的增加。降和表

12、面能的增加。2.4.1均匀形核均匀形核第16页，共72页，编辑于2022年，星期三图 晶胚形成时系统自由能的变化与半径的关系第17页，共72页，编辑于2022年，星期三rrk，其其进进一一步步长长大大将将导导致致体体系系总总自自由由能能增增加加，因因此此这这种种晶晶胚胚不不能能成成为为晶核，会重新熔化；晶核，会重新熔化；rrk，其其进进一一步步长长大大将将导导致致体体系系自自由由能能减减小小，因因此此半半径径大大于于rk的的晶晶胚胚能能够够成成为为晶核；晶核；r=rk，其长大的趋势和熔化的趋势相等。，其长大的趋势和熔化的趋势相等。把把半半径径恰恰为为rk的的晶晶核核称称为为临临界界晶晶核核，而

13、而rk称为晶核的临界半径。称为晶核的临界半径。第18页，共72页，编辑于2022年，星期三随着过冷度随着过冷度的增加，临的增加，临界晶核半径界晶核半径减小，形核减小，形核的几率增加。的几率增加。第19页，共72页，编辑于2022年，星期三2.形核功形核功r rk的的晶晶核核长长大大时时，虽虽然然可可以以使使系系统统自自由由能能下下降降，但但形形成成一一个个临临界界晶晶核核本本身身要要引引起起系系统统自自由由能能增增加加Gk，说说明明临临界界晶晶核核的的形形成成是是需要能量的。需要能量的。形形成成临临界界晶晶核核时时，液液、固固两两相相之之间间的的自自由由能能差差只只提提供供所所需需要要的的表表

14、面面能能的的三三分分之之二二，另另外外的的三三分分之之一一则则需需由由液液体体中中的的能能量量起起伏伏来来提提供。供。第20页，共72页，编辑于2022年，星期三所所谓谓能能量量起起伏伏是是指指体体系系中中微微小小体体积积所所具具有有的的能能量量偏偏离离体体系系的的平平均均能能量量，而而且且微微小小体体积积的的能能量量处处于于时时起起时时伏伏，此此起起彼彼伏伏状状态态的现象。的现象。能能量量起起伏伏包包括括两两个个含含义义：一一是是在在瞬瞬时时，各各微微观观体体积积的的能能量量不不同同，二二是是对对某某一一微微观观体体积积，在在不不同同瞬瞬时时，能能量量分分布布不不同同。在在具具有有高高能能量

15、量的的微微观观地地区区生生核核，可可以以全全部部补补偿偿表表面面能能，使使G0。图 液相的能量起伏 第21页，共72页，编辑于2022年，星期三液态金属的结构是短程有序、长程无序。液态金属的结构是短程有序、长程无序。由由于于原原子子的的热热运运动动，它它们们只只能能维维持持短短暂暂的的时时间间很很快快就就消消失失，同同时时在在其其它它地地方方又又会会出出现现新新的的尺尺寸寸不不等等的的规规则则排排列列的的原原子子团团，然然后又立即消失。后又立即消失。液液态态金金属属中中的的规规则则排排列列的的原原子子团团总总是是处处于于时时起起时时伏伏，此此起起彼彼伏伏的的变变化化之之中中，人人们们把把液液态

16、态金金属属中中这这种种规规则则排排列列原原子子团团的的起起伏伏现现象象称称为为相相起起伏伏或或结构起伏。结构起伏。相相起起伏伏是是产产生生晶晶核核的的基基础础。当当把把金金属属熔熔液液过过冷冷到到熔熔点点以以下下时时，这这种种规规则则排排列列的的原原子子团团被被冻冻结结下下来来，成成为为规规则则排排列列的的固固相相，就就有有可可能能成成为均匀形核的胚芽，故称为晶胚。为均匀形核的胚芽，故称为晶胚。第22页，共72页，编辑于2022年，星期三图 临界晶核半径（a）和最大晶胚尺寸（b）与过冷度的关系T=Tk时，时，rmax=rk，最大晶核刚好能够转变为晶核，把这样的，最大晶核刚好能够转变为晶核，把这

17、样的过冷度称为临界过冷度。过冷度称为临界过冷度。过冷度必须大于形核所需要的临界过冷度，这是结晶的动力学条件。过冷度必须大于形核所需要的临界过冷度，这是结晶的动力学条件。第23页，共72页，编辑于2022年，星期三思考题思考题试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为G0。只有过冷，才能使。只有过冷，才能使G0。动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界过冷度。动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界过冷度。由临界

18、晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有1/3的表面能的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。必须内液体中的能量起伏来提供。液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。是结晶过程必须具备的结构条件。第24页，共72页，编辑于2022年，星期三3.形核率形核率形核率受两个互相矛盾的因素控制：形核率受两个互相矛盾的因素控制：一一方方面面从从热热力力学学考考虑虑，过过冷冷度度愈愈大大，晶晶核核的的临临界界半半径径及及临临界界形形核核功愈小，因而需要的能量起

19、伏小，则形核率愈高；功愈小，因而需要的能量起伏小，则形核率愈高；但但另另一一方方面面从从动动力力学学考考虑虑，过过冷冷度度愈愈大大，原原子子活活动动能能力力愈愈小小，原原子子从从液液相相转转移移到到临临界界晶晶核核上上的的几几率率减减小小，不不利利于于稳稳定定晶晶核核形形成成，则则形形核核率愈低。率愈低。综综合考合考虑虑上述两个方面，形核率可用下式表示：上述两个方面，形核率可用下式表示：N NN N1 1N N2 2 式式中中N为为总总的的形形核核率率，N1为为受受形形核核功功影影响响的的形形核核率率因因子子，N2为为受受原原子子扩散影响的形核率因子。扩散影响的形核率因子。第25页，共72页，

20、编辑于2022年，星期三图 温度对N1、N2的影响（a）和形核率与温度的关系（b）第26页，共72页，编辑于2022年，星期三图 不同结晶温度下r和G的关系第27页，共72页，编辑于2022年，星期三图 非均匀形核示意图 2.4.2 非均匀形核非均匀形核1.临界晶核半径和形核功临界晶核半径和形核功第28页，共72页，编辑于2022年，星期三图 不同润湿角的晶核形貌 当当0时时，则则 0，说说明明固固体体杂杂质质或或型型壁壁可可作作为为现现成成晶晶核核，这这是无核是无核长长大的情况，如大的情况，如图图a所示。所示。当当时时，则则 。当当 0时，时，这便是非均匀形核的条件，如图，这便是非均匀形核的

21、条件，如图b所示。所示。第29页，共72页，编辑于2022年，星期三非非均均匀匀形形核核时时的的形形核核率率表表达达式式与与均均匀匀形形核核相相似似。只只是是由由于于 ，所以非均匀形核可在较小过冷度下获得较高的形核率。所以非均匀形核可在较小过冷度下获得较高的形核率。非非均均匀匀形形核核的的最最大大形形核核率率小小于于均均匀匀形形核核。其其原原因因是是非非均均匀匀形形核核需需要要合合适适的的“基基底底”，而而基基底底数数量量是是有有限限的的，当当新新相相晶晶核核很很快快地地覆覆盖盖基基底底时时，使使适适合合新相形核的基底大为减少。新相形核的基底大为减少。不不是是任任何何固固体体杂杂质质均均能能作

22、作为为非非均均匀匀形形核核的的基基底底促促进进非非均均匀匀形形核核。只只有有那那些些与与晶晶核核的的晶晶体体结结构构相相似似，点点阵阵常常数数相相近近的的固固体体杂杂质质才才能能促促进进非非均均匀匀形形核核，这这样样可可以以减减小小固固体体杂杂质质与与晶晶核核之之间间的的表表面面张张力力，从从而而减小减小角以减小角以减小 。2.形核率形核率第30页，共72页，编辑于2022年，星期三图非均匀形核功与均匀形核功对比的示意图第31页，共72页，编辑于2022年，星期三图 均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比 第32页，共72页，编辑于2022年，星期三第五节第五节 晶核长大晶核长大图 液-固

23、界面上的原子迁移 一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。系系统统总总自自由由能能随随晶晶体体体体积积的的增增加加而而下下降降是是晶晶体体长长大大的的驱驱动动力力。晶晶体体的的长长大大过过程程可可以以看看作作是是液液相相中中原原子子向向晶晶核核表表面面迁迁移移、液液-固界面向液相不断推进的过程。固界面向液相不断推进的过程。第33页，共72页，编辑于2022年，星期三固固-液界面液界面(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为光滑界面按微观结构可以分为光滑界面(Smooth interface)和粗糙界面和粗糙界面(Rough

24、interface)两种。两种。所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。锯齿状的折线。粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。但是宏观上看，界面反而是平直的。光滑界面和粗糙界面是根据光滑界面和粗糙界面是根据微观结构微观结构进行分类的，光滑界面在微进行分类的，光滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是

25、粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。在宏观上是光滑的。图图 图图2.5.1 固液界面的微观结构固液界面的微观结构第34页，共72页，编辑于2022年，星期三图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图返回返回返回返回第35页，共72页，编辑于2022年，星期三晶体长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长方式，与其液晶体长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长方式，与其液-固相界面的结构有关。固相界面的结构有关。2.5.2 晶体长大机制晶体长大机制1.1.具有粗糙界面的物质的长大机制具有粗糙界面的物质的长大机制2.

26、2.具有光滑界面的物质的长大机制具有光滑界面的物质的长大机制第36页，共72页，编辑于2022年，星期三1.具有粗糙界面的物质的长大机制具有粗糙界面的物质的长大机制具具有有粗粗糙糙界界面面的的物物质质，液液-固固相相界界面面上上有有大大约约一一半半的的原原子子位位置置是是空空的的，液液相相中中的的原原子子可可随随机机地地添添加加在在界界面面的的空空位位置置上上而而成成为为固固相相原原子子。晶晶体体的的这这种种生生长长方方式式称称为为垂垂直直生生长长机机制制，其其长长大大速速度度很快。很快。图 晶体的垂直长大方式示意图 第37页，共72页，编辑于2022年，星期三2.具有光滑界面的物质的长大机制

27、具有光滑界面的物质的长大机制（1 1）二维晶核台阶生长模型）二维晶核台阶生长模型首首先先在在平平整整界界面面上上通通过过均均匀匀形形核核形形成成一一个个具具有有单单原原子子厚厚度度的的二二维维晶晶核核，然然后后液液相相中中的的原原子子不不断断地地依依附附在在二二维维晶晶核核周周围围的的台台阶阶上上，使使二二维维晶晶核核很很快快地地向向四四周周横横向向扩扩展展而而覆覆盖盖了了整整个个晶晶体体表表面面，此此时时便便又又变变成成了了光光滑滑界界面面。接接着着在在新新的的界界面面上上又又形形成成新新的的二二维维晶晶核核，并向横向扩展而长满一层。并向横向扩展而长满一层。晶体以这种方式长大时，其长大速度十

28、分缓慢。晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢。第38页，共72页，编辑于2022年，星期三图 二维晶核长大示意图 第39页，共72页，编辑于2022年，星期三（2 2）晶体缺陷台晶体缺陷台阶阶生生长长机制机制 由由于于二二维维晶晶核核的的形形成成需需要要一一定定的的形形核核功功，因因而而需需要要较较强强的的过过冷冷条条件件，长大速率很慢长大速率很慢。如如果果结结晶晶过过程程中中，在在晶晶体体表表面面存存在在着着垂垂直直于于界界面面的的螺螺位位错错露露头头，那那么么液液相相原原子子或或二二维维晶晶核核就就会会优优先先附附在在这这些些地地方方。液液相相原原子子不不断断地地添添加加到到由由螺螺位

29、位错错露露头头形形成成的的台台阶阶上上，界界面面以以台台阶阶机机制制生生长长和和按按螺螺旋旋方方式式连连续续地地扫过扫过界面，在成界面，在成长长的界面上将形成螺旋新台的界面上将形成螺旋新台阶阶。这这种生种生长长是是连续连续的。的。第40页，共72页，编辑于2022年，星期三图 螺型位错长大机制 第41页，共72页，编辑于2022年，星期三图 螺旋长大的SiC晶体第42页，共72页，编辑于2022年，星期三纯纯金金属属凝凝固固时时晶晶体体的的生生长长形形态态取取决决于于界界面面的的微微观观结结构构和和界界面面前前沿沿液液相相中的温度分布。中的温度分布。图 两种温度分布方式(a)正温度梯度 (b)

30、负温度梯度 2.5.3 固液界面前沿液体中的温度梯度固液界面前沿液体中的温度梯度第43页，共72页，编辑于2022年，星期三思考题思考题为什么会出现负的温度梯度？为什么会出现负的温度梯度？液液态态金金属属在在铸铸模模中中凝凝固固时时，往往往往由由于于模模壁壁温温度度比比较较低低，使使靠靠近近模模壁壁的的液液体体首首先先过过冷冷而而凝凝固固。而而在在铸铸模模中中心心的的液液体体温温度度最最高高，液液体体的的热热量量和和结结晶晶潜潜热热通通过过固固相相和和模模壁壁传传导导而而迅迅速速散散出出，这这样样就就造造成成了了液液-固固相界面前沿液体的温度分布为正的温度梯度。相界面前沿液体的温度分布为正的温

31、度梯度。在在缓缓慢慢冷冷却却条条件件下下，液液体体内内部部的的温温度度分分布布比比较较均均匀匀并并同同时时过过冷冷到到某某一一温温度度。这这时时在在模模壁壁上上的的液液体体首首先先开开始始形形核核长长大大，液液-固固相相界界面面上上所所产产生生的的结结晶晶潜潜热热将将同同时时通通过过固固相相和和液液相相传传导导散散出出，这这样样使使得得界面前沿的液体中产生负的温度梯度。界面前沿的液体中产生负的温度梯度。第44页，共72页，编辑于2022年，星期三1.1.在正的温度梯度下在正的温度梯度下1 1）粗糙界面时）粗糙界面时对对于于粗粗糙糙界界面面的的晶晶体体，其其生生长长界界面面以以垂垂直直长长大大方

32、方式式推推进进。由由于于前前方方液液体体温温度度高高，所所以以生生长长界界面面只只能能随随前前方方液液体体的的逐逐渐渐冷冷却却而而均均匀匀地地向向前前推推移移。整整个个液液-固固相相界界面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。2 2）光滑界面时）光滑界面时对对于于光光滑滑界界面面结结构构的的晶晶体体，其其生生长长界界面面以以小小平平面面台台阶阶生生长长方方式式推推进进。小小平平面面台台阶阶的的扩扩展展同同样样不不能能伸伸入入到到前前方方温温度度高高于于T Tm m的的液液体体中中去去，因因此此，从从宏宏观观来来看看液液-固相界面似与固相界面似与T Tm

33、m等温等温线线平行，但小平面与平行，但小平面与T Tm m等温等温线线呈一定角度。呈一定角度。2.5.4晶体生长的界面状态晶体生长的界面状态-晶体形态晶体形态第45页，共72页，编辑于2022年，星期三在在正正的的温温度度梯梯度度下下，晶晶体体的的这这种种生生长长方方式式称称为为平平面面状状生生长长。晶晶体生长方向与散热方向相反，生长速度取决于固相的散热速度。体生长方向与散热方向相反，生长速度取决于固相的散热速度。图 正温度梯度下两种界面形态 (a)粗糙界面 (b)光滑界面第46页，共72页，编辑于2022年，星期三2.2.在在负负的温度梯度下的温度梯度下晶晶体体生生长长界界面面一一旦旦出出现

34、现局局部部凸凸出出生生长长，由由于于前前方方液液体体具具有有更更大大的的过过冷冷度度而而使使其其生生长长速速度度增增加加。在在这这种种情情况况下下，生生长长界界面面就就不不可可能能继继续续保保持持平平面面状状而而会会形形成成许许多多伸伸向向液液体体的的结结晶晶轴轴，同同时时在晶在晶轴轴上又会上又会发发展出二次晶展出二次晶轴轴、三次晶、三次晶轴轴等等。等等。晶晶体体的的这这种种生生长长方方式式称称为为树树枝枝状状生生长长。在在树树枝枝晶晶生生长长时时，伸伸展展的的晶晶轴轴具有一定的晶体取向以降低界面能。具有一定的晶体取向以降低界面能。在在负负的的温温度度梯梯度度下下，对对于于粗粗糙糙界界面面结结

35、构构的的金金属属晶晶体体，明明显显以以树树枝枝状状方方式式生生长长。对对于于光光滑滑界界面面结结构构的的晶晶体体，仍仍以以平平面面生生长长方方式式为为主主（即即树树枝枝状状生生长长方方式式不不很很明明显显），某某些些亚亚金金属属则则具具有有小小平平面面的的树枝状结晶特征。树枝状结晶特征。第47页，共72页，编辑于2022年，星期三图 树枝状晶体生长示意图第48页，共72页，编辑于2022年，星期三图 树枝状长大的晶粒示意图第49页，共72页，编辑于2022年，星期三图图 钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体第50页，共72页，编辑于2022年，星期三第六节第六节 结晶理论的某些实际应用结晶理论

36、的某些实际应用第51页，共72页，编辑于2022年，星期三2.6.1晶粒大小的控制晶粒大小的控制1.表表示示：晶晶粒粒的的大大小小，通通常常用用单单位位体体积积中中的的晶晶粒粒数数或或近近似似的的把把晶晶粒看成球体，用它们的平均直径来衡量，称作粒看成球体，用它们的平均直径来衡量，称作晶粒度晶粒度。2.晶粒度主要取决于形核率与晶核的长大速度。晶粒度主要取决于形核率与晶核的长大速度。3.控制晶粒大小的途径：控制晶粒大小的途径：增加过冷度；变质处理；振动搅拌增加过冷度；变质处理；振动搅拌第52页，共72页，编辑于2022年，星期三细化晶粒的好处：提高强度、硬度、塑性和韧性。细化晶粒的好处：提高强度、

37、硬度、塑性和韧性。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。细细化化铸铸件件晶晶粒粒的的基基本本途途径径：形形成成足足够够多多的的晶晶核核，使使它它们们在在尚尚未未显显著著长长大时便相互接触，完成结晶过程。大时便相互接触，完成结晶过程。大大的的形形核核率率以以保保证证单单位位时时间间、单单位位体体积积液液体体中中形形成成更更多多的的晶晶核核。要求结晶时有小的长大线速度以保证有更长的形核时间。要求结晶时有小的长大线速度以保证有更长的形核时间。第53页，共72页，编辑于2022年，星期三第54页，共72页，编辑于2022年，星期三1

38、.提高过冷度提高过冷度过冷度增加，形核率过冷度增加，形核率N与长大线速度与长大线速度G均增加，但形核率增加速度均增加，但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。细化。在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实现的。在工业上增加过冷度是通过提高冷却速度来实现的。采用导热性好的金属模代替砂模；在模外加强制冷却；在砂模里加采用导热性好的金属模代替砂模；在模外加强制冷却；在砂模里加冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是有效的方法。冷铁以及采用低温慢速浇铸等都是有效的方法。对于厚重的铸件，很难获得大的冷速，这种方法的应

39、用受到对于厚重的铸件，很难获得大的冷速，这种方法的应用受到铸件尺寸的限制。铸件尺寸的限制。第55页，共72页，编辑于2022年，星期三2.变质处理变质处理外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。外来杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长。如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的团体颗粒，会显著地如果在浇注前向液态金属中加入某些难熔的团体颗粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法称为变质处理，加入的难熔增加晶核数量，使晶粒细化。这种方法称为变质处理，加入的难熔杂质叫杂质叫变质剂变质剂。变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。变质处理是目前工业生产中广泛应用的方法。如往铝和铝合金中加入锆和

40、钛；往钢液中加入钛、锆、钒；如往铝和铝合金中加入锆和钛；往钢液中加入钛、锆、钒；往铸铁铁水中加入往铸铁铁水中加入SiCa合金都能达到细化晶粒的目的。合金都能达到细化晶粒的目的。第56页，共72页，编辑于2022年，星期三图 Al-Mg合金变质处理前后的对照第57页，共72页，编辑于2022年，星期三3.振动、搅拌振动、搅拌在在浇浇注注和和结结晶晶过过程程中中实实施施搅搅拌拌和和振振动动，也也可可以以达达到到细细化化晶晶粒粒的目的。的目的。搅搅拌拌和和振振动动能能向向液液体体中中输输入入额额外外能能量量以以提提供供形形核核功功，促促进进晶晶核核形形成成；可使结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。可使结晶

41、的枝晶碎化，增加晶核数量。搅拌和振动的方法有机械、电磁、超声波法等。搅拌和振动的方法有机械、电磁、超声波法等。第58页，共72页，编辑于2022年，星期三图图 铸件的宏观组织形成过程示意图铸件的宏观组织形成过程示意图2.6.2铸锭（铸件）的宏观组织控制铸锭（铸件）的宏观组织控制第59页，共72页，编辑于2022年，星期三三层典型组织三层典型组织:(:(形成原因、性能、控制方法）形成原因、性能、控制方法）1.激冷层（表面细晶区）2.柱状晶区 3.中心等轴晶区1.激冷层（表面细晶区）2.柱状晶区3.中心等轴晶区弱面第60页，共72页，编辑于2022年，星期三定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法

42、。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。下降功率法是将金属液体注入带水冷底板的铸模中，然后，切断下降功率法是将金属液体注入带水冷底板的铸模中，然后，切断下部感应圈的电流，再进行上部感应圈的功率调节，使铸模内获得下部感应圈的电流，再进行上部感应圈的功率调节，使铸模内获得陡峭的温度梯度，在这种冷却条件下得到垂直于水冷底板的柱状晶。陡峭的温度梯度，在这种冷却条件下得到垂直于水冷底板的柱状晶。快速逐步凝固法是将金属液浇入带水冷底板的铸型后，保持数快速逐步凝固法是将金属液浇入带水冷底板的铸型后，保持数分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸型轴上形成一定的温度梯分钟以达到热稳定，在这段时间内沿铸型轴上形成

43、一定的温度梯度，当水冷铜板一端开始凝固后，将铸型从炉内以一定速度牵出，度，当水冷铜板一端开始凝固后，将铸型从炉内以一定速度牵出，使底端形核的晶体生长成垂直于水冷底板方向的柱状晶。使底端形核的晶体生长成垂直于水冷底板方向的柱状晶。2.6.3 定向凝固技术定向凝固技术第61页，共72页，编辑于2022年，星期三图 定向结晶装置原理图 第62页，共72页，编辑于2022年，星期三单晶体就是由一个晶粒组成的晶体。单晶体就是由一个晶粒组成的晶体。单晶硅、锗是制造大规模集成电路的基本材料。近百种氧化物单晶单晶硅、锗是制造大规模集成电路的基本材料。近百种氧化物单晶体如体如TeO2，TiO2，LiTiO3，L

44、iTaO3，PbGeO3，KNbO3等可用于等可用于制造磁记录、磁贮存原件、光记忆、光隔离、光变调等光学和光电元制造磁记录、磁贮存原件、光记忆、光隔离、光变调等光学和光电元件和制造红外检测。件和制造红外检测。目前，单晶材料已成为计算机技术、激光技术及光通讯技术、红外目前，单晶材料已成为计算机技术、激光技术及光通讯技术、红外遥感技术等高技术领域不可缺少的材料。遥感技术等高技术领域不可缺少的材料。制取单晶体的基本原理就是保证液体结晶时只形成一个晶核，再由制取单晶体的基本原理就是保证液体结晶时只形成一个晶核，再由这个晶核长成一整块单晶体。这个晶核长成一整块单晶体。2.6.4 单晶体的制备单晶体的制备

45、第63页，共72页，编辑于2022年，星期三1.垂直提拉法垂直提拉法先用高频或电阻加热方法熔化坩埚先用高频或电阻加热方法熔化坩埚中的材料，使液体保持稍高于熔点的中的材料，使液体保持稍高于熔点的温度。温度。然后将夹有一个籽晶的杆下移，使然后将夹有一个籽晶的杆下移，使籽晶与液面接触。籽晶与液面接触。缓慢降低炉内温度，将籽晶杆一边缓慢降低炉内温度，将籽晶杆一边旋转一边提拉，使籽晶作为唯一的旋转一边提拉，使籽晶作为唯一的晶核在液相中结晶，最后成为一块晶核在液相中结晶，最后成为一块单晶体。单晶体。图 拉制单晶的原理图 第64页，共72页，编辑于2022年，星期三2.2.尖端形核法尖端形核法将材料装入一个

46、带尖头的容器将材料装入一个带尖头的容器中熔化。中熔化。然后将容器从炉中缓慢拉出。然后将容器从炉中缓慢拉出。尖头首先移出炉外缓冷，在尖尖头首先移出炉外缓冷，在尖头部产生一个晶核，容器向炉外头部产生一个晶核，容器向炉外移动时便由这个晶核长成一个单移动时便由这个晶核长成一个单晶体。晶体。图 下移法制造单晶原理图 第65页，共72页，编辑于2022年，星期三急急冷冷凝凝固固技技术术是是设设法法将将熔熔体体分分割割成成尺尺寸寸很很小小的的部部分分，增增大大熔熔体体的的散散热热面面积积，再再进进行行高高强强度度冷冷却却，使使熔熔体体在在短短时时间间内内凝凝固固以以获获得得与与模模铸铸材材料料结构、组织、性

47、能显著不同的新材料的凝固方法。结构、组织、性能显著不同的新材料的凝固方法。采采用用急急冷冷凝凝固固技技术术可可以以制制备备出出非非晶晶态态合合金金、微微晶晶合合金金及及准准晶晶态态合合金，为高技术领域所需的新材料的获取开辟了一条新路。金，为高技术领域所需的新材料的获取开辟了一条新路。急急冷冷凝凝固固方方法法按按工工艺艺原原理理可可分分为为三三类类，即即模模冷冷技技术术、雾雾化化技技术术和和表表面面快热技术。快热技术。2.6.5 急冷凝固技术急冷凝固技术第66页，共72页，编辑于2022年，星期三模冷技术是将熔体分离成连续和不连续的、截面尺寸很小的熔体流，模冷技术是将熔体分离成连续和不连续的、截

48、面尺寸很小的熔体流，使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝或使其与散热条件良好的冷模接触而得到迅速凝固，得到很薄的丝或带。带。雾化技术是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分散雾化技术是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作用下，分散成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固，得到成尺寸极小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中凝固，得到急冷凝固的粉末。急冷凝固的粉末。表面快热技术即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工表面快热技术即通过高密度的能束如激光或高能电子束扫描工件表面使工件表面熔化，然后通过工件自身吸热散热使表层得到件表面使工件表面熔化

49、，然后通过工件自身吸热散热使表层得到快速冷却。也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴快速冷却。也可利用高能电子束加热金属粉末使之熔化变成熔滴喷射到工件表面，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工件表面喷射到工件表面，利用工件自冷，熔滴迅速冷凝沉积在工件表面上。上。第67页，共72页，编辑于2022年，星期三1.1.非晶态合金非晶态合金在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程在特殊的冷却条件下金属可能不经过结晶过程而凝固成保留液体短程有序结构的非晶态金属。有序结构的非晶态金属。非晶态金属又称为金属玻璃。非晶态金属又称为金属玻璃。非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的

50、室温强度、硬度和非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强度、硬度和刚度，具有良好的韧性和塑性。刚度，具有良好的韧性和塑性。由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的耐蚀由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有很高的耐蚀性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低的声波衰减率等特性，广泛用性及高电阻率、高导磁率、低磁损和低的声波衰减率等特性，广泛用于高技术领域。于高技术领域。第68页，共72页，编辑于2022年，星期三2.2.微晶合金微晶合金利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米(m)和纳米和纳米(nm)的超细的超细晶粒合金材料，我们称之为微