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1、第二章纯金属结晶第1页，共54页，编辑于2022年，星期二 结晶概念结晶概念:物质由液态转变为具有晶体物质由液态转变为具有晶体 结构的固相结构的固相的过程称为的过程称为第一节第一节 金属结晶的现象金属结晶的现象 纯金属结晶时的热分析纯金属结晶时的热分析曲线特点：曲线特点：冷却曲线冷却曲线(T-t)(1)低于熔点才发生结晶低于熔点才发生结晶(2)存在结晶平台存在结晶平台第2页，共54页，编辑于2022年，星期二一、金属结晶的宏观现象 冷却曲线（又称热分析曲线）：冷却过程中温度随时间的变化曲线。测定方法：热分析（如图2-1）第一节 金属结晶的现象图2-1热分析装置示意图第3页，共54页，编辑于20
2、22年，星期二（一）过冷现象（一）过冷现象第4页，共54页，编辑于2022年，星期二第一节 金属结晶的现象第5页，共54页，编辑于2022年，星期二冷却曲线分析冷却曲线分析第6页，共54页，编辑于2022年，星期二 影响过冷度因素：金属纯度，冷却速度影响过冷度因素：金属纯度，冷却速度金属结晶温度：金属结晶温度：开始结晶温度，理论结晶温度开始结晶温度，理论结晶温度第7页，共54页，编辑于2022年，星期二第一节 金属结晶的现象（二）结晶潜热（二）结晶潜热相变潜热：相变潜热：1mol1mol物质从一个相变转变为另一个物质从一个相变转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量。相时，伴随着放出或吸收的热
3、量。熔化潜热：金属熔化时从固态转变为液态时吸收熔化潜热：金属熔化时从固态转变为液态时吸收的热量。的热量。结晶潜热：结晶时从液相转变为固相放出的热量。结晶潜热：结晶时从液相转变为固相放出的热量。第8页，共54页，编辑于2022年，星期二二、金属结晶的微观现象凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程。若凝固后的物质为晶体，则称为结晶。结晶的基本过程：形核长大。描述结晶进程的两个参数：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。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。第一节 金属结晶的现象第9页，共54页，编辑于2022年，星期二金属结晶的金属结晶
4、的热力学条件热力学条件热力学：研究系统转变的方向和限度热力学：研究系统转变的方向和限度 转变的可能性转变的可能性 热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。变。即即G=G(转变后转变后)G(转变前转变前)S固固结晶时只有存在结晶时只有存在T 才才 能能 保保 证：证：G V=GS GL 0 从而使从而使 LS 结晶存在过冷度结晶存在过冷度T的的原因原因第12页，共54页，编辑于2022年，星期二G-T曲线曲线G-T曲线为下降曲线，曲线为下降曲线，dG/d
5、T=-S0第二节 金属结晶的热力学条件相变驱动力相变驱动力GB=LmT/Tm a.当当T0时时,GB=r0 时时，系统的系统的G 0 结晶过程可发生；结晶过程可发生；形成稳定晶核形成稳定晶核 随随 r，G 晶核长大为系统自由能降低过程；晶核长大为系统自由能降低过程；晶核可长大晶核可长大r0第23页，共54页，编辑于2022年，星期二当当 r 0,热力学上结晶不可发生，但热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：液相中结构起伏的稳定状态不同：当当 r rk 时时，随随 r，G 晶胚尺寸减小为自发过程晶胚尺寸减小为自发过程会会瞬间离散瞬间离散,只能保持结构起伏状态，不能只能保持结构起伏
6、状态，不能长大。长大。当当 rk r r0时时，随随 r，G 晶胚长大为自发过程晶胚长大为自发过程 即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的散，而为稳定且可长大的。r0第24页，共54页，编辑于2022年，星期二注意注意：实际当实际当rk r 0,按热力学理论按热力学理论LS不能发生，然而不能发生，然而:rk：为为临界晶核尺寸临界晶核尺寸 原因原因:过冷液体中存在过冷液体中存在能量起伏能量起伏,其中高能区可能使其中高能区可能使G 0,此时：此时：代入球形晶胚自由能表达式可得：代入球形晶胚自由能表达式可得：结晶总结晶总阻力阻力 形核功：过冷液体形核形核功：过
7、冷液体形核时的障碍时的障碍 Gk 1/3(4r2k)1/3 Sk 第27页，共54页，编辑于2022年，星期二形核功的影响因素形核功的影响因素：随随T ，G即：即：增大过冷度，可显著降低形核阻力，结晶过程越易进行增大过冷度，可显著降低形核阻力，结晶过程越易进行 事实上，只要事实上，只要 r rk,即为稳定晶核。即为稳定晶核。原因：原因：液体中除结构起伏外，还存在液体中除结构起伏外，还存在能量起伏能量起伏,故故形核功形核功可以依靠能量起可以依靠能量起伏来补偿伏来补偿结论：结论：除除结构起伏结构起伏外，形核还借助外，形核还借助能量起伏能量起伏条件条件 第28页，共54页，编辑于2022年，星期二（
8、四）（四）形核率（形核率（N=cm-3 s 1）：）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义意义:N 越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。形核率形核率控制因素控制因素:N=N1 N2 N 1 受形核功影响的因子；受形核功影响的因子；(T,N 1)N 2 受扩散控制的因子。受扩散控制的因子。(T,N 2)T对对N的影响矛盾、的影响矛盾、复杂复杂第29页，共54页，编辑于2022年，星期二实际纯金属：实际纯金属：随随T,N;且且T=0.2Tm金属玻璃金属玻璃第30页，共54页，编辑
9、于2022年，星期二二、非均匀形核（一）（一）非均匀形核的形核功非均匀形核的形核功模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。LW=SW+SLcos 第四节 晶核的形成第31页，共54页，编辑于2022年，星期二非均匀形核特点：非均匀形核特点：形核功形核功；T=0.02Tm 远小于均匀形核远小于均匀形核第32页，共54页，编辑于2022年，星期二（二）非均匀形核的形核率（二）非均匀形核的形核率影响因素：过冷度，固体质点的性质、数影响因素：过冷度，固体质点的性质、数量、形貌等。量、形貌等。(1)过冷度的影响过冷度的影响远低于均匀形核过冷度远低于均匀形核过冷度
10、。第四节 晶核的形成(2)固体杂质结构的影响固体杂质结构的影响越小，形核率越大越小，形核率越大点阵匹配原则：晶核与固体杂质结构相似、原子间距相当时促进形点阵匹配原则：晶核与固体杂质结构相似、原子间距相当时促进形核。核。(3)固体杂质表面形貌的影响固体杂质表面形貌的影响：凹曲面上、粗糙模壁形核率高：凹曲面上、粗糙模壁形核率高(4)物理因素的影响物理因素的影响：晶核的机械增殖晶核的机械增殖机械增殖，动力学成核机械增殖，动力学成核第33页，共54页，编辑于2022年，星期二 结晶时形核要点结晶时形核要点1、必须要有过冷度、必须要有过冷度T，晶胚尺寸，晶胚尺寸rrK。2、rK与与T成反比。成反比。T
11、rK。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 液体中的自然现象。液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件扩散条件)5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。进行。均匀形核均匀形核T=0.2Tm 非均匀形核非均匀形核T=0.02Tm第34页，共54页，编辑于2022年，星期二第五节 晶体的长大晶体长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。平衡状态：(dN/dT)M=(dN/dT)F动态过冷动态过冷：晶核长大所需的界面过冷度。晶核长大条件
12、晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构第五节 晶体的长大第35页，共54页，编辑于2022年，星期二一、液-固界面的微观结构第五节 晶体的长大光滑界面光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。微观微观上界面光滑，宏观宏观上有若干小平面。粗糙界面粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子几个原子厚度厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。宏观宏观上界面平直。第36页，共54页，编辑于2022年，星期二第五节 晶体的长大理论证明：界面粗糙化时，界面自由能的相对变化：Gs/(NkTm)=x(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)=Lm/(k
13、Tm)为晶体学因子，晶面原子密度小，小。2 2时，x=0.5处，界面能最小，粗糙界面 5 5时，x靠近0或1处界面能最小，光滑界面第37页，共54页，编辑于2022年，星期二二、晶体长大的机制第五节 晶体的长大晶体长大方式：垂直长大，横垂直长大，横向长大向长大（一）（一）垂直长大方式（又称填入垂直长大方式（又称填入式）式）粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。半数晶格位置空闲，液体原子可直接填入并连接 第38页，共54页，编辑于2022年，星期二横向长大方式包括：横向长大方式包括：二维晶核台阶生长机制；螺旋位错长大机制二维晶核台阶生长机制；螺旋位错长大机制。螺旋位错长大机制螺旋位错长大机制：台阶不
14、消失，液态原子迁移到台阶侧面，横向长大，Tk，长大速度慢。二维晶核长大机制二维晶核长大机制：台阶侧面，横向长大，Tk，长大速度很慢。（二）（二）横向长大方式横向长大方式(台阶生长机制)光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。第39页，共54页，编辑于2022年，星期二第40页，共54页，编辑于2022年，星期二（一）液固界面前沿温度分布（一）液固界面前沿温度分布 正温度梯度正温度梯度温度分布温度分布:液相温度随至界面距离增加而提高。液相温度随至界面距离增加而提高。靠近模壁处靠近模壁处负温度梯度负温度梯度温度分布温度分布:液相温度随至界面距离增加而降低。液相温度随至界面距离增加而降低。三、晶体长大
15、的形态长大形态：平面状长大，树枝状长大第41页，共54页，编辑于2022年，星期二第五节 晶体的长大（二）（二）平面状长大形态平面状长大形态液-固界面始终保持平直的表面向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。条件条件：正温度梯度，粗糙界面结构的晶体为主第42页，共54页，编辑于2022年，星期二第43页，共54页，编辑于2022年，星期二第五节 晶体的长大（三）（三）树枝状长大形态树枝状长大形态液-固界面不断分支发展条件条件：负温度梯度特点特点：有方向性枝臂间距枝臂间距：冷却速度大，枝臂间距小，强度、塑性好第44页，共54页，编辑于2022年，星期二光滑界面光滑界面 多为小平面树枝状晶
16、体多为小平面树枝状晶体 有时为规则外形晶体有时为规则外形晶体第45页，共54页，编辑于2022年，星期二五、晶粒大小的控制五、晶粒大小的控制第46页，共54页，编辑于2022年，星期二标准晶粒度：分为8级。一级最粗，八级最一级最粗，八级最细细。晶粒大小对性能的影响：晶粒越细，强度、晶粒越细，强度、硬度塑性、韧性越高硬度塑性、韧性越高。晶粒度控制方法：控制形核率N、长大速度Vg第47页，共54页，编辑于2022年，星期二第48页，共54页，编辑于2022年，星期二第49页，共54页，编辑于2022年，星期二图图2-33 金属结晶时形核率及长大速度金属结晶时形核率及长大速度第50页，共54页，编辑
17、于2022年，星期二第51页，共54页，编辑于2022年，星期二第二章 总结金属结晶理论晶核的形成晶核的长大条件热力学条件：过冷度 临界过冷度结构条件：结构起伏（相起伏）临界晶核能量条件：能量起伏 临界形核功方式均匀形核：形核率受过冷度影响非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响参数：形核率条件：动态过冷度机制垂直长大：粗糙界面横向长大：光滑界面二维晶核台阶机制晶体缺陷台阶机制形态平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关应用：第52页，共54页，编辑于2022年，星期二第一、二章第一、二章 习题与思考题习题与思考题1
18、 什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在结构与性能什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在结构与性能上的差别。上的差别。2 金属常见的晶体结构由哪几种，金属常见的晶体结构由哪几种，Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各属于哪种晶等各属于哪种晶体结构？体结构？3 在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向：在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向：（121）（）（101）（）（321）（）（121），），121101321121 第53页，共54页，编辑于2022年，星期二4 金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过冷度？冷度？5 晶粒大小对材料的机械性能有何影响，铸造实际中如何控晶粒大小对材料的机械性能有何影响，铸造实际中如何控制金属晶粒大小？何谓变质处理？制金属晶粒大小？何谓变质处理？6 讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实际结构是怎讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实际结构是怎样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是否是性能样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是否是性能上的缺陷？上的缺陷？第54页，共54页，编辑于2022年，星期二