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1、金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差与理论结晶温度之差称为过冷度称为过冷度(T)。T=Tm Tn纯度越高，过冷度越大纯度越高，过冷度越大；其它条件相同时，其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也冷却速度越快，过冷度也越大越大。当冷却速度达到。当冷却速度达到106 oC/s以上时，液态以上时，液态金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的冷却速度有关。冷却速度有关。结晶潜热环境散热结晶潜热环境散热温度上升温度
2、上升局部区域出现重局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。的重要因素。结晶潜热结晶潜热 环境散热环境散热冷却平台冷却平台平台延续的平台延续的过程就是结晶所需的时过程就是结晶所需的时间。间。无论金属还是非金无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶过程同的规律，即结晶过程是是形核和长大的过程。形核和长大的过程。熔体过冷熔体过冷 形核形核 晶核长大晶核长大未转变液体未转变液体部分部分形核形核 晶核长大晶核长大相邻晶体互相接触相邻晶体互相接触 液体全部转变。液体全部转变。每个成长的晶体就是一个晶粒
3、，它们的接触分每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。界面就形成晶界。过过程程问题：问题：为什么金属不能在理为什么金属不能在理论结晶温度结晶，而论结晶温度结晶，而需要过冷？需要过冷？金属各相金属各相Gibbs自由能自由能G可表示为：可表示为：G=H TSpVTS，H：焓，：内能，：压力，：体积，：焓，：内能，：压力，：体积，T：温度，：温度，S：熵。：熵。dGdUpdVVdpTdSSdT而而dUTdS-pdV(热力学第一定律热力学第一定律)因此：因此：dG=TdSpdVVdpTdSSdT Vdp SdT 对于金属凝固过程，对于金属凝固过程，dp0 因此：因此：dG/dT=-Sd
4、G/dT=-S熵熵S表征系统中原子排列混乱表征系统中原子排列混乱程度的参量，程度的参量，S恒大于零。恒大于零。固相原子排列有序；因此：固相原子排列有序；因此：Ss SL(dG/dT)s(dG/dT)L因此液固两相因此液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点Tm处，处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状态，这一温度态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有就是金属的理论结晶温度。只有T00，D DHf f 为相变潜热，为相变潜热，TTm时，时，D DG Gv=0=0，因此有：，因此有：D DH
5、 Hf f =-=-T Tm mD DS S，D DS=-D DHf/Tm T T T Tm m时，时，D DS S变化很小，可视为常数，因此液固两相变化很小，可视为常数，因此液固两相GibbsGibbs自由自由能能差差D DGv v为为：D DGv v=-D DHf-TD DS=-DHDHf+TDHDHf/Tm m=-DHDHf D DT/Tm m可见：可见：TTm m时，时，过冷度过冷度D DT=0T=0，D DGv v=0,没有结晶驱动力，没有结晶驱动力，不能凝固。不能凝固。因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学
6、条件。这就说明了为什么必须过冷的晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的根本原因。根本原因。金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。重要。液体的原子排列：液体的原子排列：短程有序，长程无序。短程有序，长程无序。短程有序集团不断出现短
7、程有序集团不断出现和消失，处于变化之中。和消失，处于变化之中。这些瞬间出现、消失的这些瞬间出现、消失的有序集团称为结构起伏有序集团称为结构起伏或相起伏。或相起伏。相相起起伏伏出出现现几几率率相起伏大小相起伏大小rmax过冷度过冷度D DTrmax 相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。但事
8、实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯如液态高纯Sn过冷过冷520oC时，经很长时间还不会时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？以下两节的内容分别从以下两节的内容分别从形核形核和和长大长大两个基本过程进行讨论两个基本过程进行讨论母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新相晶核的过程称为形核。液体金属中形核相晶核的过程称为形核。液体
9、金属中形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。有均匀形核和非均匀形核两种方式。均匀形核均匀形核又又称均质形核或自发形核。是指从液称均质形核或自发形核。是指从液相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过程。程。均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。能量变化，由晶胚直接形核的过程。非均匀形核非均匀形核又称异质形核或非自发形核。是指依又称异质形核或非自发形核。是指
10、依附液体中现有固体杂质或容器表面形附液体中现有固体杂质或容器表面形成晶核的过程。成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或少的杂实际液态金属中，总有或多或少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶过程主要是按形成晶核，实际的结晶过程主要是按非均匀形核方式进行。非均匀形核方式进行。为什么过冷液体形核为什么过冷液体形核时要求晶核必须达到时要求晶核必须达到一定的临界尺寸？一定的临界尺寸？V：晶核体积；：晶核体积；：界面能；：界面能；S：晶核的表面积：晶核的表面积Gv：单位体积内固液吉布斯自由能之差：单位体积内固液吉布斯自由能之差因此总的吉布斯自由能变化量
11、为因此总的吉布斯自由能变化量为：D DG=G=V VD DG Gv v+s sS S在一定的过冷度下，液体中若出现固态晶核，该在一定的过冷度下，液体中若出现固态晶核，该区域的能量变化包括两个方面：区域的能量变化包括两个方面：1 1）液体结晶为固体时体积自由能的下降）液体结晶为固体时体积自由能的下降V V GvGv2 2）新增晶核的界面自由能）新增晶核的界面自由能SS由于由于：D DG=VD DGv+s sS一定过冷度下，一定过冷度下，GV 0因此有最大体积和最小表面积因此有最大体积和最小表面积的球形晶核最有利。设的球形晶核最有利。设GV和和为常数，球半径为为常数，球半径为r，则有：，则有：r0
12、rcrc称为临界晶核半径。称为临界晶核半径。l 当晶胚半径当晶胚半径 r rc，晶胚长大时吉布斯晶胚长大时吉布斯自由能下降，晶胚可以自由能下降，晶胚可以发育为晶核。发育为晶核。l 当晶胚半径当晶胚半径r DTDTDTk k时，晶胚半径超过了晶核临界尺寸，此时液态金属的结时，晶胚半径超过了晶核临界尺寸，此时液态金属的结晶容易进行。晶容易进行。过冷度越大，超过临界晶核的晶胚数量越多，结晶越易进行。过冷度越大，超过临界晶核的晶胚数量越多，结晶越易进行。讨讨 论：论：临界晶核尺寸临界晶核尺寸 rc 随过冷度增随过冷度增大而减小。大而减小。最大相起伏尺寸最大相起伏尺寸 rmax 随过冷随过冷度增大而增大
13、。度增大而增大。DTDTDTDTk时，过冷液体中最大时，过冷液体中最大晶胚尺寸小于临界晶核半径晶胚尺寸小于临界晶核半径 rc，晶胚不能转变为晶核。，晶胚不能转变为晶核。r0rc右图中，当右图中，当rcr r0时，时，r，D DG G，但但D DG。说明说明体系自由能仍大体系自由能仍大于零，即晶核表面能于零，即晶核表面能大于体积自由能，形大于体积自由能，形核阻力大于驱动力。核阻力大于驱动力。r0rc在在这这个个半半径径范范围围内内，晶晶核核形形成成的的表表面面能能不不能能完完全全由由体体积积自自由由能能的的下下降降来来补补偿偿，不不足足的的部部分分，需需要要另另外外供供给给，即即需需要要对对形形
14、核核作作功功，故故称称不不足足部部分分为为形形核核功功。r=rc 时，将时，将 代入代入D D表达式表达式，得得D D的极大值为：的极大值为：可见形成临界晶核时体积自由能的降低只补偿了可见形成临界晶核时体积自由能的降低只补偿了2/3的表面能增加，剩下的表面能增加，剩下1/3部分即部分即D DGc需要另外供给，需要另外供给，即需要对形核作功。因此即需要对形核作功。因此D DGc称为最大形核功或临称为最大形核功或临界形核功。过冷度增大，临界形核功显著降低，形界形核功。过冷度增大，临界形核功显著降低，形核易于进行。核易于进行。液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量液态金属中不仅存在结构起伏，而且存
15、在能量起伏，也即液态金属不同区域内的自起伏，也即液态金属不同区域内的自由能也并由能也并不相同，不相同，因此形核功可通过体系的能量起伏来因此形核功可通过体系的能量起伏来提供。提供。形核功从何而来？形核功从何而来？当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上，当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。将释放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。单位时间在单位体积液体内形单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率，单成晶核的数目称为形核率，单位位 cm-3s-1。N1、N2分别为受形核功和原子分别为受形核功和原子扩散能力影响的形核率因子。扩散能力影响的形
16、核率因子。N2形形核核率率T Tm温温 度度N1N1N N形核率取决于两因素：形核率取决于两因素：母液的过冷度。过冷母液的过冷度。过冷度增大，形核功减小，度增大，形核功减小，N1提高。提高。原子活动或迁移能力。原子活动或迁移能力。温度升高，原子活动温度升高，原子活动能力强，能力强，N2提高，提高，形核率高。形核率高。实际上纯金属的形核率实际上纯金属的形核率与过冷度的关系如右图与过冷度的关系如右图所示，在到达一定过冷所示，在到达一定过冷度前，基本不形核，到度前，基本不形核，到达临界过冷度后，形核达临界过冷度后，形核率急剧增加，相应的温率急剧增加，相应的温度称为有效成核温度。度称为有效成核温度。在
17、形核率达到极大前结在形核率达到极大前结晶已结束。晶已结束。有效成核温度依附在某些已有的固体上形核依附在某些已有的固体上形核称之为非自发形核。称之为非自发形核。G=VGv+(s sLSALS+s sSBASB-s sLBASB)当当=0时，时，说明不需要形核功，液相中的固相杂质质，说明不需要形核功，液相中的固相杂质质点就是现成的晶核，可在其上直接结晶长大。点就是现成的晶核，可在其上直接结晶长大。当当=180o，说明基底对形核无效果，即不能，说明基底对形核无效果，即不能在基底上形核。在基底上形核。一般情况下一般情况下0180o。因此，因此，比较小的杂质质点，可成为活性固体，对形核的促进作比较小的杂
18、质质点，可成为活性固体，对形核的促进作用较大。用较大。a.q q=0b.0q180q180oqa.q q=180ocos=(LB-SB)/LS，当当SB越小时，越小时，LB便越接近于便越接近于LS，cos才能越接近于才能越接近于1。即固态质点与晶核的表面能越小，即固态质点与晶核的表面能越小，对形核的催化效应越明显对形核的催化效应越明显。而表面能与晶体结构有关，两个相互接触的晶体结构越近而表面能与晶体结构有关，两个相互接触的晶体结构越近似，它们之间的表面能就越小，越有利于促进形核。似，它们之间的表面能就越小，越有利于促进形核。l在铸造过程中，浇铸前往往加入形核剂，增加形核率，在铸造过程中，浇铸前
19、往往加入形核剂，增加形核率，以达到细化晶粒的作用。以达到细化晶粒的作用。如：如：Zr能促进能促进Mg的非均匀形核，两者都是的非均匀形核，两者都是hcp结构，晶结构，晶格常数相近。格常数相近。Fe能促进能促进Cu的非均匀形核，因为的非均匀形核，因为Cu 的的结晶温度下两者都是结晶温度下两者都是fcc结构，晶格常数相近。结构，晶格常数相近。l固相杂质形貌不同，形核率也不同，凹面有利固相杂质形貌不同，形核率也不同，凹面有利于形核，形核效能最高。于形核，形核效能最高。l过热度增大，将改变固相杂质的表面状态，降过热度增大，将改变固相杂质的表面状态，降低形核率低形核率l振动或搅动等物理因素也有利于促进形核
20、。振动或搅动等物理因素也有利于促进形核。其其 它它1.1.液相不断向晶体扩散供应原子，也即要求液相有足够液相不断向晶体扩散供应原子，也即要求液相有足够高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力。高的温度，以使液态金属原子具有足够的扩散能力。2.2.要求晶体表面能够不断而牢靠的接纳这些原子，晶体要求晶体表面能够不断而牢靠的接纳这些原子，晶体表面上任意地点接纳原子的位置多少与晶体的表面结表面上任意地点接纳原子的位置多少与晶体的表面结构有关，并应符合结晶过程的热力学条件。构有关，并应符合结晶过程的热力学条件。决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶晶核的界面结
21、构、界面前沿的温度梯度核的界面结构、界面前沿的温度梯度。光滑光滑界面界面原子尺度下，界面为平整的原子表面。原子尺度下，界面为平整的原子表面。一般为密排晶面。界面两侧固液原子一般为密排晶面。界面两侧固液原子截然分开，没有过渡层。光学显微镜截然分开，没有过渡层。光学显微镜下，光滑界面由若干曲折的小平面构下，光滑界面由若干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。成，所以又称小平面界面。粗糙粗糙界面界面原子尺度下，界面两侧有几个原子层原子尺度下，界面两侧有几个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学显微镜下，这类界面是平直列。光学显微镜下，这类界面是平直的，所以又称
22、非小平面界面。的，所以又称非小平面界面。a a为为Jackson因子，因子，Tm为熔点，取不同为熔点，取不同a a 值，作值，作 Gs x图图（见教材（见教材P46，Fig2.20)。界面的平衡结构应是界面能最低的结构，设晶界面的平衡结构应是界面能最低的结构，设晶体界面上有体界面上有N个原子格位，其中个原子格位，其中Ns个为固相原个为固相原子，其所占分数为：子，其所占分数为：x=Ns/N，则液相原子占据，则液相原子占据比例为比例为1-x，在光滑界面添加任意原子时，界面，在光滑界面添加任意原子时，界面能的变化可以表示为：能的变化可以表示为：1 1）a2，x=0.5=0.5处界面能最低，界面处一半
23、位置为处界面能最低，界面处一半位置为固相原子占据，为粗糙界面固相原子占据，为粗糙界面。2 2）a5时时，x=0=0或或1 1处界面能最低，对应界面处极处界面能最低，对应界面处极少量或全部原子占据格位，为光滑界面。少量或全部原子占据格位，为光滑界面。绝大多数金属、合金的绝大多数金属、合金的a a值小于值小于2 2，为粗糙界，为粗糙界面。一些半金属、非金属、化合物晶体为光滑面。一些半金属、非金属、化合物晶体为光滑界面。界面。界面的微观结构不界面的微观结构不同，其接纳液相中同，其接纳液相中迁移过来的原子的迁移过来的原子的能力也不同，因此能力也不同，因此晶体长大时将有不晶体长大时将有不同机制。同机制。
24、a.a.二维晶核长大机制二维晶核长大机制 （光滑界面、长大速度慢）（光滑界面、长大速度慢）b.b.螺型位错长大机制螺型位错长大机制 （光滑界面，长大速度较快）（光滑界面，长大速度较快）c.c.连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方式长大。）大部分金属晶体以此方式长大。）固固液液过冷度过冷度T/oCTm正温度梯度正温度梯度固固液液过冷度过冷度T/oCTm负温度梯度负温度梯度 结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。相界面向液相中的推移速度受其散热速
25、率的控制。光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面。一般光滑界面的晶体，显微界面是某一晶体学密排面。一般而言，密排面界面能小，但生长速度慢。原子密度小的而言，密排面界面能小，但生长速度慢。原子密度小的晶面，其长大速度较大，最后非密排面将逐渐缩小而消晶面，其长大速度较大，最后非密排面将逐渐缩小而消失，晶体的界面将完全变为密排晶面，这失，晶体的界面将完全变为密排晶面，这种情况有利于种情况有利于形成具有规则形状的晶体。形成具有规则形状的晶体。G100100G101101 G001001晶体成长时固液界面的形状决定于散热，晶体成长时固液界面的形状决定于散热，实际上为理论结晶温度的等温面。实际上为理论
26、结晶温度的等温面。在小的区域内界面为平面，局部的不平衡在小的区域内界面为平面，局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度，因此可理解为齐步走，称为平面长速度，因此可理解为齐步走，称为平面推进方式生长。推进方式生长。具有粗糙界面的晶体表面某具有粗糙界面的晶体表面某些局部偶尔突出，些局部偶尔突出，突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向突出处发展有利，突出尖端向液体生长，其横向发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖发展速度远小于向前方的长大速度，因此突出尖端很快长成细长的晶体，称为主干。端很快长成细长的晶体，称为主干。负温度梯度下结晶过程的潜热
27、不仅可通过已负温度梯度下结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。体中传递。l负温度梯度下固液界面不可能保持平面形式生长，即使负温度梯度下固液界面不可能保持平面形式生长，即使开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。开始形成的晶核是一平面或多面体，也是不稳定的。l在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为在尖端和棱角等有利生长的地方优先上长成主干，称为一次晶枝。一次晶枝。l一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负一次晶枝成长变粗，相变潜热释放，使其侧面也成为负温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以
28、温度梯度，因此侧面又长出二次枝晶，二次枝晶还可以长出三次枝晶。表现为树枝晶的方式长大。长出三次枝晶。表现为树枝晶的方式长大。l 每个枝晶发展为一个晶粒。每个枝晶发展为一个晶粒。l对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满后分不对于高纯金属，枝晶间接触面全部填满后分不出枝晶，只看到晶粒边界。出枝晶，只看到晶粒边界。l如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂如果金属不纯，树枝间最后凝固的地方残留杂质，枝晶轮廓依然可见。质，枝晶轮廓依然可见。fcc：；bcc：；hcp：具有光滑界面的晶体在具有光滑界面的晶体在a a不太大时，负温度梯度很不太大时，负温度梯度很大时仍可能长成树枝晶，但往往带有小平面的特征，大时
29、仍可能长成树枝晶，但往往带有小平面的特征，如如Sb（P51，Fig2.31）；）；a a很大时，即使大的负温很大时，即使大的负温度梯度，仍然可能长成规则形状的晶体。度梯度，仍然可能长成规则形状的晶体。垂直长大垂直长大光滑界面光滑界面二维晶核长大二维晶核长大螺型位错长大螺型位错长大粗糙界面粗糙界面所需过冷度小，长所需过冷度小，长大速度大大速度大长大速度长大速度都很慢，都很慢，所需过冷所需过冷度很大。度很大。晶体生长的界面形态与界面前沿的晶体生长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关。温度梯度和界面的微观结构有关。正温度正温度梯度下梯度下光滑界面光滑界面界面形态为一些互成界面形态为一些
30、互成一定角度小晶面一定角度小晶面粗糙界面粗糙界面界面形态为平行于界面形态为平行于T Tm的平直界面的平直界面负温度负温度梯度下梯度下一般金属和亚金属的一般金属和亚金属的界面都呈树枝状界面都呈树枝状一般的测定方法是在放大一般的测定方法是在放大100100倍下观察后和标准的进行倍下观察后和标准的进行对比评级，对比评级，1 18 8级级(有更高的有更高的)，级别高的晶粒细。级别，级别高的晶粒细。级别的定义为在放大的定义为在放大100100倍下，每平方英寸内倍下，每平方英寸内1 1个晶粒时为一个晶粒时为一级，数量增加级，数量增加 倍提高一级。倍提高一级。晶粒大小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积晶粒大
31、小的称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工程实际中往往采用定量金或平均直径来表示。工程实际中往往采用定量金相的办法对晶粒度进行评级。相的办法对晶粒度进行评级。表层细晶区表层细晶区 柱状晶区柱状晶区 中心等轴晶区中心等轴晶区晶粒极细，取向随机致密，一般都很晶粒极细，取向随机致密，一般都很薄，实际意义不大。薄，实际意义不大。J铸模温度较低，靠近模壁的薄层铸模温度较低，靠近模壁的薄层液体产生极大的过冷度液体产生极大的过冷度J模壁可作为非均匀形核的基底。模壁可作为非均匀形核的基底。J铸模的浇注时表面温度、热传导铸模的浇注时表面温度、热传导性能、浇注温度性能、浇注温度J模壁非均匀形核能力。
32、模壁非均匀形核能力。成成 因因特特 点点影响因素影响因素垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。柱晶生长方向为一次晶轴方向，立方晶系为柱晶生长方向为一次晶轴方向，立方晶系为。J激冷细晶层前沿液体温度高激冷细晶层前沿液体温度高,过冷度变小，不过冷度变小，不足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。足于独立形核，结晶主要靠晶体生长来维持。J垂直模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶垂直模壁方向散热最快，表层细晶区中一次晶轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速轴取向平行于散热方向的晶粒生长最快，迅速地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒的限地长入晶体，其它取向的晶粒受邻近晶粒
33、的限制，不能发展。制，不能发展。J优先生长的晶粒并排向液体中生长，其侧面彼优先生长的晶粒并排向液体中生长，其侧面彼此限制不能发展，从而形成柱状晶区。此限制不能发展，从而形成柱状晶区。成成 因因特特 点点 T铸型和结晶体的导热性能铸型和结晶体的导热性能。导热能力越好，形成越导热能力越好，形成越有利。有利。T浇注温度与浇注速度浇注温度与浇注速度。浇注温度越高，浇注速度浇注温度越高，浇注速度越越快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。浇注温度高于一定值是可以得到完全的柱状晶。高于一定值是可以得到完全的柱状晶。T熔化温度熔化温度。熔化温度越高，熔体过热度越大，非
34、金熔化温度越高，熔体过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了属夹杂物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的发展。影响因素影响因素T柱晶区取向一致，性能呈各向异性。又称结晶织柱晶区取向一致，性能呈各向异性。又称结晶织构或铸造织构。构或铸造织构。例例1 1：磁性铁合金磁性铁合金凝固时柱状晶的取向凝固时柱状晶的取向为其最大磁为其最大磁 导率方向，因此常利用定向凝固的方法生产。导率方向，因此常利用定向凝固的方法生产。例例2 2：具有柱晶或单晶结构的：具有柱晶或单晶结构的定向凝固高温合金定向凝固高温合金，抗蠕
35、变，抗蠕变性能好。性能好。例例3 3：BiBi2 2TeTe3 3系热电材料系热电材料L柱晶之间界面比较平直，结合力不强；特别是互柱晶之间界面比较平直，结合力不强；特别是互相垂直的柱晶交界面，更为脆弱。这些面成为弱相垂直的柱晶交界面，更为脆弱。这些面成为弱面，轧制时容易开裂。面，轧制时容易开裂。组织性能组织性能等轴晶区的形等轴晶区的形成成凝固进行到后期，由于模壁散热和液体凝固进行到后期，由于模壁散热和液体的对流，中心液体的温度达到均匀，降的对流，中心液体的温度达到均匀，降到熔点以下，也可以形核生长。到熔点以下，也可以形核生长。这些晶核在液体中自由生长，各方向这些晶核在液体中自由生长，各方向的成
36、长速度差不多，故成长为等轴晶，的成长速度差不多，故成长为等轴晶，当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部当它们成长到柱状晶相遇，凝固全部结束，因而形成等轴晶区。结束，因而形成等轴晶区。组织性能组织性能取向无规，无明显弱面，强度高，取向无规，无明显弱面，强度高，不易开裂。不易开裂。对于铸锭一般都要求对于铸锭一般都要求获得细等轴晶组织。获得细等轴晶组织。晶粒大小取决于形核率（晶粒大小取决于形核率（N）和长大速度）和长大速度(G）。）。N越大，越大，G越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的越小，单位体积内晶粒数量多，单个成长的空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数空间越小，晶粒越细小。单位体积的晶粒数Zv和
37、单位和单位面积的晶粒数面积的晶粒数Zs可分别表示为：可分别表示为：凡能促进形核、抑制长大的因素都能细化晶粒。凡能促进形核、抑制长大的因素都能细化晶粒。因此根据结晶时形核和长大的规律，为了细化铸因此根据结晶时形核和长大的规律，为了细化铸锭和焊缝区组织，工业生产中常采用以下方法：锭和焊缝区组织，工业生产中常采用以下方法：控制过冷度。控制过冷度。降低浇注温度、浇注速度以及加快降低浇注温度、浇注速度以及加快冷却速度可以提高过冷度。如采用金属模、或加冷却速度可以提高过冷度。如采用金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将
38、细化。率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。变质处理。变质处理。人为加入促进形核的其它高熔点细粉人为加入促进形核的其它高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加末，如在铜中加少量铁粉或铝中加AlAl2 2O O3 3粉等，以粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。非均匀方式形核并阻碍长大。振动、搅拌。振动、搅拌。铸件凝固中用机械或超声波等外来铸件凝固中用机械或超声波等外来能量促进晶核提前形成，此外搅拌和振动有助于能量促进晶核提前形成，此外搅拌和振动有助于使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。缩孔缩孔材料凝固后体积收缩后留下的空腔称为材料凝固后体积收缩后留下的空腔称为缩孔缩孔缩孔是不可避
39、免的，可通过加液体补缩减小缩孔，缩孔是不可避免的，可通过加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。固后切去来保证使用部位无缩孔。疏松疏松实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固封闭而得不到液体补充而留下收缩孔被凝固封闭而得不到液体补充而留下的缺陷。的缺陷。中部比边缘多，大铸件比小铸件严重。对型材的中部比边缘多，大铸件比小铸件严重。对型材的轧制可减小或消除其不利的影响。轧制可减小或消除其不利的影响。气孔气孔气体在凝固体内形成的缺陷。气体在凝固体内形成的缺陷。
40、气体的来源有气体的来源有析出型析出型(气体在液、固中的溶解度气体在液、固中的溶解度不同不同)和和反应型反应型(凝固过程中发生的化学反应生成凝固过程中发生的化学反应生成)夹杂物夹杂物外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如 耐火材料、破碎铸模物等。耐火材料、破碎铸模物等。成分成分偏析偏析多组元体系中，不同位置材料的成分不均匀多组元体系中，不同位置材料的成分不均匀 叫做偏析。叫做偏析。根据凝固理论，要想得到根据凝固理论，要想得到单晶体，在凝固的过程中单晶体，在凝固的过程中只有晶体长大而不能有新只有晶体长大而不能有新的晶核形成，采取的措施的晶核形成，采取的措施包括
41、：包括：熔体的纯度非常高，防熔体的纯度非常高，防止非均匀形核；止非均匀形核；液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生液体的温度控制在精确的范围内，过冷度很小，可以生长但不足以发生自发形核；长但不足以发生自发形核；引入一个晶体引入一个晶体(籽晶籽晶)，仅让这个晶体在此环境中长大。，仅让这个晶体在此环境中长大。非晶态材料制备方法很多，依材料的不同非晶态材料制备方法很多，依材料的不同而采取不同的手段。但使用较多的方法是急速而采取不同的手段。但使用较多的方法是急速冷却法（冷却法（Rapid Solidification，RS），将液体），将液体急速冷却下来，使其来不及形核，到低温下因急速冷却下
42、来，使其来不及形核，到低温下因黏度明显增加就呈现为固体。金属材料的冷却黏度明显增加就呈现为固体。金属材料的冷却速度需要达到速度需要达到106/sec，如将小液滴通过低温如将小液滴通过低温的轧辊，可得到很薄的非晶态薄片。的轧辊，可得到很薄的非晶态薄片。名词概念名词概念 内容要求内容要求 过冷度过冷度 形核率形核率 长大与长大速度长大与长大速度 光滑界面光滑界面 粗粗糙界面糙界面 均匀形核均匀形核 非均匀形核非均匀形核1.1.结晶的一般过程是怎样的，均匀形核和非均匀形核的主结晶的一般过程是怎样的，均匀形核和非均匀形核的主要差别，为什么晶核需要一定的临界尺寸。要差别，为什么晶核需要一定的临界尺寸。2.2.金属材料结晶过程中晶体长大方式与温度分布的关系。金属材料结晶过程中晶体长大方式与温度分布的关系。3.3.控制晶粒尺寸和凝固体组织的方法，及其用凝固理论的控制晶粒尺寸和凝固体组织的方法，及其用凝固理论的解释。解释。作作 业业2-2综述金属的均匀形核。并解释综述金属的均匀形核。并解释 ；说明为何要大于；说明为何要大于 才能形核？才能形核？怎样细化铸态金属晶粒？怎样细化铸态金属晶粒？为什么减小为什么减小能促进非均匀形核？能促进非均匀形核？