《材料科学基础-第6章-单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学基础-第6章-单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件.ppt（30页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第一节第一节 单元系相变的热力学及相平衡单元系相变的热力学及相平衡 一、相平衡条件和相律一、相平衡条件和相律 相变：由一种相转变为其他的相。相变：由一种相转变为其他的相。1 1、相平衡条件、相平衡条件 相平衡：物质系统中各相的自由能相等，且能稳定存在。相平衡：物质系统中各相的自由能相等，且能稳定存在。自由度：可以独立变化，而不改变平衡系统中相的数目、自由度：可以独立变化，而不改变平衡系统中相的数目、种类的因素。种类的因素。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯
2、晶体的凝固第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固1为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 可以证明，处于平衡状态下的多相（可以证明，处于平衡状态下的多相（、，P P个个相）体系，每个组元（相）体系，每个组元（1 1、2 2、，C C个组元）在各相中的化学势个组元）在各相中的化学势都必须彼此相等，即：都必须彼此相等，即：受热力学平衡条件限制，系统的自由度数目（受热力学平衡条件限制，系统的自由度数目（f f）与系统的）与系统的组元数目（组元数目（C C）、相数目（）、相数目（P P）和外界影响因素数目（
3、）和外界影响因素数目（n n）之间存）之间存在一种相互制约的关系，称为相律，即：在一种相互制约的关系，称为相律，即：f=c p+n 对固体材料，相律可写为：对固体材料，相律可写为：f=c p+2 （仅考虑温度、压力的影响）（仅考虑温度、压力的影响）或或 f=c p+1 （仅考虑温度的影响）（仅考虑温度的影响）第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固2为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、单元系相图二、单元系相图 单元系：单一组元组成的体系。单元系：单一组元组成的体系。多元系：多个组元组
4、成的体系。多元系：多个组元组成的体系。相图：描述一个物质体系在不同平衡条件下存在相的种相图：描述一个物质体系在不同平衡条件下存在相的种类、成分及其相对数量的几何图类、成分及其相对数量的几何图 。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固 相图作用：利用相图可以判断一个物质体系在不同条件相图作用：利用相图可以判断一个物质体系在不同条件下所存在相的种类、相的成分及其相对数量，判断随条件变下所存在相的种类、相的成分及其相对数量，判断随条件变化所发生的相变。化所发生的相变。3为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学
5、图书室育人功能1 1、H H2 2O O相图相图 单相区：单相区：f=1-1+2=2,即温度、压力变化不会引起相变。即温度、压力变化不会引起相变。两相区：两相区：f=1-2+2=1,即为维持两相平衡，温度和压力中只有即为维持两相平衡，温度和压力中只有一个可独立变化，另一个必须随之作相应变化才不会引起相变。一个可独立变化，另一个必须随之作相应变化才不会引起相变。三相区：三相区：f=1-3+2=0,即为即为维持三相平衡，温度和压力都必维持三相平衡，温度和压力都必须保持恒定。须保持恒定。当压力恒定时，单元系相图当压力恒定时，单元系相图仅有温度变化轴。在单相区，仅有温度变化轴。在单相区，f=1，在两相
6、区，在两相区，f=0。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固4为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2、FeFe相图相图 对于对于FeFe而言，在固态时可以发生同素异构转变，形成不同的固而言，在固态时可以发生同素异构转变，形成不同的固体相。体相。单相区：单相区：f=1-1+2=2，即温度、压力变化不会引起相变。，即温度、压力变化不会引起相变。三相区：三相区：f=1-3+2=0,即为维即为维持三相平衡，温度和压力都必须持三相平衡，温度和压力都必须保持恒定。保持恒定。两相区：两相区：f=
7、1-2+2=1,即为维即为维持两相平衡，温度和压力中只有持两相平衡，温度和压力中只有一个可独立变化，另一个必须随一个可独立变化，另一个必须随之作相应变化才不会引起相变。之作相应变化才不会引起相变。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固5为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能第第2 2节节 纯晶体的凝固纯晶体的凝固 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。若凝固所形成的物质由液态转变为固态的过程称为凝固。若凝固所形成的固体为晶体，则凝固过程可以称为结晶。固体为晶体，则凝固过程可以称为结晶。一、
8、液态结构一、液态结构 （1 1）大多数金属熔化时体积变化不大，表明原子间距变）大多数金属熔化时体积变化不大，表明原子间距变化不大。液态原子平均距离略大于固态。化不大。液态原子平均距离略大于固态。（2 2）对密排结构的晶体，其液态原子配位数减小；对非）对密排结构的晶体，其液态原子配位数减小；对非密排结构的晶体，其液态原子配位数增大。密排结构的晶体，其液态原子配位数增大。（3 3）液态原子长程无序，但存在短程有序结构。局部的）液态原子长程无序，但存在短程有序结构。局部的有序结构随原子热运动不断形成和消失，称有序结构随原子热运动不断形成和消失，称“结构起伏结构起伏”。（4 4）金属的熔化热远小于气化
9、热）金属的熔化热远小于气化热升华热升华热,判断液态金属判断液态金属仍为金属键结合。仍为金属键结合。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固6为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能二、晶体凝固的热力学条件二、晶体凝固的热力学条件恒压时，恒压时，dG/dT=-S,dG/dT=-S,因因S SL LS SS S ，故有：故有：(dG/dT)(dG/dT)L L(dG/dT)s(dG/dT)s 曲线曲线G GL L-T-T与与G Gs s-T-T必相交，交点对必相交，交点对应温度为金属的熔点（凝固
10、点）。应温度为金属的熔点（凝固点）。已知已知:G=H-TSG=H-TS，H=LH=Lm m，S=LS=Lm m/T/Tm m 故：故：G=-LG=-Lm mT/TT/Tm m。可见，存在。可见，存在TT（=T-T=T-Tm m）为结晶必要条）为结晶必要条件，件，TT越大，结晶驱动力越大。越大，结晶驱动力越大。TT（结晶过冷度结晶过冷度）：实际结晶温度与理论结晶温度之差。）：实际结晶温度与理论结晶温度之差。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固 T TTmTm，固相稳定存在；，固相稳定存在；T TTmTm，液相稳定存在；，液相稳定存在；T=TmT=Tm，固、液
11、两相共存。，固、液两相共存。所以，所以，GG是结晶的驱动力。是结晶的驱动力。液相、固相自由能液相、固相自由能-温度曲线温度曲线GTTTmGT7为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能三、结晶过程中的形核三、结晶过程中的形核 结晶分为形核和长大两个过程。结晶通过不断的形成固相晶结晶分为形核和长大两个过程。结晶通过不断的形成固相晶核和晶核长大而进行，直至液态金属完全转变为固态金属。核和晶核长大而进行，直至液态金属完全转变为固态金属。液相中存在时聚时散的短程有序液相中存在时聚时散的短程有序原子集团（结构起伏），称原子集团（结构起伏
12、），称晶胚晶胚。晶。晶胚内原子呈晶态排列，外层原子与液胚内原子呈晶态排列，外层原子与液体中不规则排列原子相接触构成界面。体中不规则排列原子相接触构成界面。晶胚在一定条件下可发展成晶胚在一定条件下可发展成晶核晶核。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固 能够长大的晶胚称晶核。能够长大的晶胚称晶核。晶核的形成方式分为晶核的形成方式分为均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。8为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1 1、均匀形核均匀形核 晶核直接由液相中原子按固相原子排列方式排列晶核直接由
13、液相中原子按固相原子排列方式排列的晶胚在液相中发展形成。的晶胚在液相中发展形成。晶核晶核第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固9为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （1 1）形核时的能量变化和临界晶核）形核时的能量变化和临界晶核 晶胚发展为能长大的晶核需要一定能量条件。设晶核形成时自晶胚发展为能长大的晶核需要一定能量条件。设晶核形成时自由能变化为由能变化为GG，晶核半径为，晶核半径为r r，晶核单位体积能变化为，晶核单位体积能变化为GvGv，晶核，晶核表面积为表面积为A A，比表面能
14、为，比表面能为，则：，则：令令得得代入代入得得(临临界晶核半径界晶核半径)形核时自由能出现极大值。形核时自由能出现极大值。(由热力学推得由热力学推得)第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固10为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能当晶核半径当晶核半径r rr r均均*，其长大使，其长大使G G 增加，晶核熔化。增加，晶核熔化。当晶核半径当晶核半径r=rr=r均均*，熔化长大都有可能。，熔化长大都有可能。当晶核半径当晶核半径r rr r均均*，长大使，长大使G G 减小，晶核长大。减小，晶
15、核长大。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固得临界形核功得临界形核功临界形核功为形核时所需能量。临界形核功为形核时所需能量。可见，可见，T 越大，则越大，则r均均*和和G均均*越小，形核越易。越小，形核越易。将将 代入代入定义半径为定义半径为r r均均*的晶核为临界晶核。的晶核为临界晶核。11为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能设生成的临界晶核表面积为设生成的临界晶核表面积为A A*,则则 即临界形核所产生的表面能的即临界形核所产生的表面能的2/32/3由形核时液相、固相由形核时液相
16、、固相体积能之差所抵消，另外体积能之差所抵消，另外1/31/3表面能则需靠液体中的能量起表面能则需靠液体中的能量起伏来抵消。伏来抵消。结构起伏和能量起伏是形核的必要因素。结构起伏和能量起伏是形核的必要因素。与临界形核功与临界形核功 比较，可见比较，可见第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固12为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能TTN N （2 2）形核率（）形核率（N N）单位时间、单位体积液相中形成晶核的数目。单位时间、单位体积液相中形成晶核的数目。形核率受两个矛盾的因素控制：形核
17、率受两个矛盾的因素控制：受受GG*控制。控制。形成的晶核数目：形成的晶核数目：N N1 1exp(-Gexp(-G*/kT)/kT)受原子扩散能力控制。受原子扩散能力控制。具有扩散能力的原子几率：具有扩散能力的原子几率：N N2 2exp(-Q/kTexp(-Q/kT）Q Q:原子越过固原子越过固/液界面的扩散激活能液界面的扩散激活能 总形核率总形核率 N=NN=N1 1N N2 2=Kexp(-G=Kexp(-G*/kT)exp(-Q/kT/kT)exp(-Q/kT）N N1 1N N2 2 N N 形核率随过冷度增大而增形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又大，超过极大值后，形核
18、率又随过冷度进一步增大而减小。随过冷度进一步增大而减小。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固13为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能均匀形核均匀形核TT有效过冷度有效过冷度(0.2T(0.2Tm m)T Tm mNN 均匀形核时，对于易流动均匀形核时，对于易流动液体，存在有效过冷度液体，存在有效过冷度TT*，此时此时N N 急剧增大，使结晶形核急剧增大，使结晶形核迅速结束。导致迅速结束。导致N-T N-T 通常只通常只有上升部分，而无下降部分。有上升部分，而无下降部分。对于高粘度液体
19、，均匀形对于高粘度液体，均匀形核率很小，常常不存在有效过核率很小，常常不存在有效过冷度。冷度。T*第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固14为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2、非均匀形核、非均匀形核 晶核由液相原子附着在液相中已有的固相表面形成。晶核由液相原子附着在液相中已有的固相表面形成。固固 体体 实验证明，纯金属均匀形核时最大过冷度可达实验证明，纯金属均匀形核时最大过冷度可达0.2T0.2Tm m，约为约为150150250250。非均匀形核的过冷度一般只有几十度。非均匀
20、形核的过冷度一般只有几十度。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固晶核晶核均匀形核均匀形核TT非均匀形核非均匀形核0.02T0.02Tm m有效过冷度有效过冷度(0.2T(0.2Tm m)T Tm mNN15为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能界面张力在晶核与基体交界处，存在平衡关系：界面张力在晶核与基体交界处，存在平衡关系：基底基底 W W晶核晶核液相液相 L L LL ww LwLw 设晶核体积为设晶核体积为V V，晶核与液相和基底接触面，晶核与液相和基底接触面积积分分别为别为A
21、A w w和和A A L L。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固16为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能将将r r非非*代入代入GG非非，得，得非均匀形核临界形核功非均匀形核临界形核功：可见，可见，GG非非*与与GG均均*只相差一个角函数因子。只相差一个角函数因子。令令 d(G)/dr=0d(G)/dr=0，得非均匀形核的临界半径为：，得非均匀形核的临界半径为：因此，非均匀形核时自由能变化为：因此，非均匀形核时自由能变化为：第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相
22、图及纯晶体的凝固17为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 G G非非*的大小取决于的大小取决于角。角。通常，通常，0 0，则，则(2-3cos+cos2-3cos+cos3 3)/4)/4 1 1，即，即，GG非非*GG均均*若若=0=0，coscos=1=1，GG非非*=0=0，表表明基底就是结晶核心，此时不需形核明基底就是结晶核心，此时不需形核功功。不同的润湿角不同的润湿角第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固 若若=，coscos=-1=-1，GG非非*=G=G均均*，表明基底不
23、能促进形核。表明基底不能促进形核。结论结论：基底与结晶晶体结构越相似，越易促进非均匀形核。：基底与结晶晶体结构越相似，越易促进非均匀形核。18为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能四、晶体长大四、晶体长大 液相中液液相中液-固界面位置存在原子相互迁移，即凝固和熔固界面位置存在原子相互迁移，即凝固和熔化，当液相向固体的原子迁移量比固体向液体的原子迁移量化，当液相向固体的原子迁移量比固体向液体的原子迁移量大时，晶粒才会长大。大时，晶粒才会长大。晶体长大过程中，固晶体长大过程中，固-液界面力图保持能量最低。液界面力图保持能量最低
24、。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固19为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能1 1、固、固-液界面微观结构（液界面微观结构（JacksonJackson模型）模型）设固体表面可被原子占据的位置数为设固体表面可被原子占据的位置数为N NT T,已被固相原子占据已被固相原子占据的位置数为的位置数为N Na a，则固相原子占据的位置分数为，则固相原子占据的位置分数为x=Nx=Na a/N/NT T。式中式中,=L=Lmm/(kT/(kTmm)，称称jacksonjackson因子。因子。
25、其中其中,为晶体表面原子面配位数为晶体表面原子面配位数 与晶体体配位数与晶体体配位数之比之比,恒小于恒小于1 1，称为结晶取向因子；称为结晶取向因子；L Lmm为熔化热；为熔化热；k k为为波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T Tmm为熔点。为熔点。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固在界面生长过程中界面能的变化在界面生长过程中界面能的变化GGs s与与x x的关系可表示为：的关系可表示为：GGs s/(N/(NT TkTkTmm)=)=x(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)x(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)20为深入学习习近平新时代中国
26、特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 不同物质具有不同的不同物质具有不同的 值，对于不同的值，对于不同的 值，界面生长过程值，界面生长过程中，中，GGs s-x-x关系曲线具有下列不同的形状。关系曲线具有下列不同的形状。（1 1）对于）对于 2 2 的曲线，仅的曲线，仅在在x=0.5=0.5处有极小值。表明界面具处有极小值。表明界面具有最大粗糙度时，有最大粗糙度时，GGs s最低。大最低。大多数金属和一些化合物为这类固多数金属和一些化合物为这类固-液界面液界面,称粗糙界面。称粗糙界面。（2 2）对于）对于 2 2的曲线，在的曲线，在x=0.5=0
27、.5附近有极大值，在附近有极大值，在x接近接近0 0和和1 1处有极小值。部分无机非金属和处有极小值。部分无机非金属和高分子材料为这类固高分子材料为这类固-液界面，其液界面，其 55，称光滑界面。，称光滑界面。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固固相晶面上原子所占位置分数固相晶面上原子所占位置分数 x21为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能凝固时的固凝固时的固-液界面微观和宏观形态液界面微观和宏观形态粗糙界面中原子的堆放粗糙界面中原子的堆放第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体
28、的凝固单组元相图及纯晶体的凝固微观微观宏观宏观粗糙界面粗糙界面：界面微观粗：界面微观粗糙，而宏观平直。糙，而宏观平直。液液固固固固液液光滑界面光滑界面：微观为由许多光滑：微观为由许多光滑的小平面组成，而宏观不平。的小平面组成，而宏观不平。光滑界面中原子的堆放光滑界面中原子的堆放微观微观宏观宏观固固固固液液液液22为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 特点：特点：不需孕育期和形核功；不需孕育期和形核功；连续垂直生长；连续垂直生长；固固-液界面生长所需动态过冷度液界面生长所需动态过冷度TTk k(结晶时，固结晶时，固-液液界
29、面处温度与理论结晶温度之差界面处温度与理论结晶温度之差)很小（约很小（约1010-4-4）；）；生长速率很大：生长速率很大：v vg g=1 1TTk k2 2、晶体长大方式和生长速率、晶体长大方式和生长速率 长大方式即固长大方式即固-液界面向液相中的推移方式。液界面向液相中的推移方式。（1 1）连续长大（粗糙界面的垂直生长）连续长大（粗糙界面的垂直生长）第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固23为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （2 2）二维晶核台阶生长（光滑界面）二维晶核台阶生
30、长（光滑界面的横向生长）的横向生长）生长特点：生长特点：需要不断地形成新的二维晶核，需要不断地形成新的二维晶核，需形核功，生长不连续；需形核功，生长不连续；晶体生长需要较大动态过冷度晶体生长需要较大动态过冷度TTk k（1 122）；生长速率：生长速率：v vg g=2 2exp(-b/Texp(-b/Tk k)式中，式中，2 2、b b为常数为常数 二维晶核形核二维晶核形核第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固24为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能螺位错提供永不消失的小台阶，长大速
31、度较慢螺位错提供永不消失的小台阶，长大速度较慢生长特点：生长特点：不需在固不需在固-液界面上反复形核，不需形核功，生长连续；液界面上反复形核，不需形核功，生长连续；生长速率为：生长速率为：v vg g=3 3TTk k2 2 （3 3为常数）为常数）（3 3）螺位错生长机制（光滑界面的横向生长）螺位错生长机制（光滑界面的横向生长）第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固25为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能五、结晶动力学及凝固组织五、结晶动力学及凝固组织1 1、结晶动力学、结晶动力学
32、可证明，已结晶体积分数可证明，已结晶体积分数r r与形核率与形核率N N和和长长大率大率v vg g的关系的关系为为：r r=1-exp(-=1-exp(-NvNvg g3 3t t4 4/3)/3)（约翰逊（约翰逊-梅尔方程）梅尔方程）曲线表明：曲线表明：（1 1）结晶体积分数与时间成）结晶体积分数与时间成“S”“S”形。形。（2 2）长大率对结晶体积分数）长大率对结晶体积分数的影响大于形核率。的影响大于形核率。考虑考虑N N与时间呈指数关系，有阿弗拉密方程：与时间呈指数关系，有阿弗拉密方程：r r=1-exp(-kt=1-exp(-ktn n)式中，式中，k k为常数，为常数，n n为与相
33、变机制相关的阿弗拉密指数。为与相变机制相关的阿弗拉密指数。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固26为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能2 2、晶体生长形态、晶体生长形态 （1 1）正温度梯度下的生长形态）正温度梯度下的生长形态平面状生长平面状生长 粗糙界面和光滑界面皆以平面状方式向液相中推移。粗糙界面和光滑界面皆以平面状方式向液相中推移。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固距离距离固固相相固固相相固相固相 液相液相 Tm固固-液界面液界面 GLG
34、S过冷区过冷区固固-液界面凸起液界面凸起温温度度固固相相27为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能固固相相固固-液界面凸起液界面凸起（2 2）负温度梯度下的生长形态）负温度梯度下的生长形态树枝状生长树枝状生长 固固-液界面以树枝状方式向液相中推移。液界面以树枝状方式向液相中推移。对粗糙界面，该效应显著，对光滑界面往往不很明显。对粗糙界面，该效应显著，对光滑界面往往不很明显。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固距离距离固相固相 液相液相 固固-液界面液界面 GLGS过冷区过冷区Tm温温度
35、度固固相相固固相相固固相相28为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能3 3、凝固后的晶粒大小控制、凝固后的晶粒大小控制 （1 1）增加过冷度）增加过冷度 可以证明，晶粒直径可以证明，晶粒直径d d与时间与时间t t内形成的晶核数内形成的晶核数P P成反比，且与形核成反比，且与形核率率N N和长大率和长大率v vg g有如下关系：有如下关系：1/dP=k(N/v1/dP=k(N/vg g)3/43/4 而而Nexp(-1/T Nexp(-1/T 2 2)，连续长大连续长大时时v vg gTT，以螺型位错长大时，以螺型位错长大
36、时，v vg gT T 2 2。故虽然过冷度越大，晶故虽然过冷度越大，晶粒的形核率越高，长大率越大。粒的形核率越高，长大率越大。但过冷度对形核率的提升大于但过冷度对形核率的提升大于长大率。故过冷度增大，晶粒细化。长大率。故过冷度增大，晶粒细化。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固29为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能 （2 2）形核剂的作用）形核剂的作用 液相对固体的润湿性取决于接触角液相对固体的润湿性取决于接触角。形核时，当结晶。形核时，当结晶固体与已有固相性质、结构越接近，液相越易附着于固相表固体与已有固相性质、结构越接近，液相越易附着于固相表面形核。因此加入的固体形核剂与结晶固相的性质、结构越面形核。因此加入的固体形核剂与结晶固相的性质、结构越接近，促进液相非均匀形核的效果越好。接近，促进液相非均匀形核的效果越好。（3 3）机械振动的作用）机械振动的作用 对结晶液相的机械振动或搅拌可使枝晶破碎，形成的枝对结晶液相的机械振动或搅拌可使枝晶破碎，形成的枝晶碎片又可作为结晶的核心，提高形核率，细化晶粒。晶碎片又可作为结晶的核心，提高形核率，细化晶粒。第六章第六章第六章第六章 单组元相图及纯晶体的凝固单组元相图及纯晶体的凝固30