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1、关于凝固与扩散第1页，讲稿共120张，创作于星期一前前 言言 大多数金属材料都是在液态下冶炼，经过大多数金属材料都是在液态下冶炼，经过凝固凝固而成为固态金属而成为固态金属 凝固凝固理论是材料科学与工程的基础知识之一理论是材料科学与工程的基础知识之一 掌握掌握凝固凝固的规律，对控制（如铸造和焊接的）凝固过程、获得所需的凝固组织的规律，对控制（如铸造和焊接的）凝固过程、获得所需的凝固组织和性能具有重要意义和性能具有重要意义 扩散扩散是固体中唯一的物质迁移方式是固体中唯一的物质迁移方式(气、液态中有对流）气、液态中有对流）固态金属材料的许多过程都与固态金属材料的许多过程都与扩散扩散有关，如钢的热处理
2、、扩散焊接、粉末有关，如钢的热处理、扩散焊接、粉末冶金等冶金等 学习和掌握学习和掌握扩散扩散的规律具有重要性的规律具有重要性第2页，讲稿共120张，创作于星期一纯金属的凝固纯金属的凝固物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为凝固凝固若凝固得到的固体是晶体，则这种凝固又常若凝固得到的固体是晶体，则这种凝固又常称为结晶称为结晶Crystallization；固态金属或合金多属于晶体，所以金属的凝固态金属或合金多属于晶体，所以金属的凝固又叫做固又叫做结晶结晶在极高的冷却速度下制取非晶态的金属或合金时，只能称为在极高的冷却速度下制取非晶态的金属或合金时，只能称为凝凝固固第3页，讲稿
3、共120张，创作于星期一固态金属晶体结构固态金属晶体结构第4页，讲稿共120张，创作于星期一气态结构气态结构第5页，讲稿共120张，创作于星期一液态金属的结构液态金属的结构第6页，讲稿共120张，创作于星期一结构起伏结构起伏Structuralundulation：液态金属中存在着原子排列规则液态金属中存在着原子排列规则（有序）的小区域（有序）的小区域（原子团原子团），这些大小不一的原子集团是与固态结），这些大小不一的原子集团是与固态结构类似的；这些原子集团不稳定，一会儿在这里消失，一会儿在那里出构类似的；这些原子集团不稳定，一会儿在这里消失，一会儿在那里出现（原子重新聚集），现（原子重新聚集
4、），此起彼伏此起彼伏，这种现象称为，这种现象称为结构起伏结构起伏。能量起伏能量起伏Energyundulation：造成结构起伏的原因是液态金属中存在造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，着能量起伏，能量低能量低的地方有序原子团才能形成，遇到的地方有序原子团才能形成，遇到能量高峰能量高峰又又散开成无序状态。散开成无序状态。结构起伏结构起伏与与能量起伏能量起伏是对应的是对应的第7页，讲稿共120张，创作于星期一液态结构液态结构固态下为晶体的材料，液态时结构介于晶态与气态之间，对液态结构固态下为晶体的材料，液态时结构介于晶态与气态之间，对液态结构X射线研究表明：射线研究表明：1）液体中原子
5、之间的）液体中原子之间的平均距离平均距离比固体中比固体中略大略大；2）液体中原子的配位数比密排结构的固体的）液体中原子的配位数比密排结构的固体的配位数减少配位数减少，熔化时，熔化时体积略微膨胀体积略微膨胀，但对一，但对一些非密排结构些非密排结构(如如Sb、Bi、Ga、Ge等等)的晶体例外；的晶体例外；3）液态中原子）液态中原子排列混乱排列混乱的程度增加。的程度增加。第8页，讲稿共120张，创作于星期一长程无序、短程有序长程无序、短程有序短程有序短程有序Shortrangeorder：由于液态金属中有序原子集团的由于液态金属中有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点概括为尺寸很小，所以把
6、液态金属结构的特点概括为短程有序、长程短程有序、长程无序无序晶胚晶胚Embryo：温度降低，这些近程有序的原子团（又称为晶胚）温度降低，这些近程有序的原子团（又称为晶胚）尺寸会增大。尺寸会增大。晶核晶核Nucleus：当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成为晶核。会成为晶核。晶核的出现就意味着结晶的开始晶核的出现就意味着结晶的开始第9页，讲稿共120张，创作于星期一结晶过程结晶过程晶核形成（形核）：晶核形成（形核）：在过冷的金属液体中，尺寸在过冷的金属液体中，尺寸较大的晶胚不再被熔化掉，能较大的晶胚不再被熔化掉，能够稳定保留下来的够稳定保留下来的晶胚晶
7、胚就成了开就成了开始结晶的始结晶的核心核心；晶核长大：晶核长大：然后然后晶核晶核不断长大。随着不断长大。随着结结晶晶过程的进行，固相逐渐增多，过程的进行，固相逐渐增多，液相逐渐减少，直至全部转变液相逐渐减少，直至全部转变为为固相固相 结构起伏、能量起伏第10页，讲稿共120张，创作于星期一结晶的热力学条件结晶的热力学条件实验证明，实验证明，纯金属液体被冷却到熔点纯金属液体被冷却到熔点Meltingpoint，Tm（理论结晶温度）时（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间都不会进行结晶，只有当温度保温，无论保温多长时间都不会进行结晶，只有当温度明显低于明显低于Tm时时，结晶，结晶才开始。即，金属
8、要在才开始。即，金属要在过冷的条件下（过冷的条件下（热过冷热过冷）才能结晶才能结晶纯金属液、固两相纯金属液、固两相自由能自由能GL、GS随温度随温度变化曲线；两者相同时对应的温度变化曲线；两者相同时对应的温度Tm就是就是金属的熔点（理论结晶温度），两相共存金属的熔点（理论结晶温度），两相共存由热力学第二定律可知：当由热力学第二定律可知：当TTm时，时，GLGS，表明，表明液态是稳定状态液态是稳定状态；当；当TGS，表明，表明固态是稳定状态固态是稳定状态，液态金属，液态金属要向固态转变要向固态转变自由能随温度变化示意图自由能随温度变化示意图驱动力驱动力过冷度过冷度第11页，讲稿共120张，创作于
9、星期一驱动力驱动力Drivingforce：固、液两相的自由能之差固、液两相的自由能之差G=GS-GL就是结就是结晶的驱动力晶的驱动力在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：“-”表示由液态转变为固态自由能降低；表示由液态转变为固态自由能降低；Lm熔化潜热熔化潜热;T=Tm-T过冷度过冷度Undercooling过冷度过冷度T越大，结晶的驱动力也就越大；越大，结晶的驱动力也就越大；T=0，Gv=0，即，即没有驱动力，结晶不能进行没有驱动力，结晶不能进行结晶的热力学条件结晶的热力学条件：结晶必须有一定的过冷度结晶必须有一
10、定的过冷度（热过冷）（热过冷）第12页，讲稿共120张，创作于星期一冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线冷却曲线：冷却曲线：金属结晶时，温度与金属结晶时，温度与时间的关系曲线时间的关系曲线 水平阶段所对应的温度称水平阶段所对应的温度称实际结实际结晶温度晶温度T1；此水平阶段是由于结晶此水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的时放出结晶潜热引起的 过冷：过冷：纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶理论结晶温度温度Tm（熔点或平衡结晶温度），（熔点或平衡结晶温度），在该温度下在该温度下,液体和晶体处于动平液体和晶体处于动平衡状态。衡状态。结晶只有在结晶只有在Tm以下的实际结以
11、下的实际结晶温度下才能进行晶温度下才能进行第13页，讲稿共120张，创作于星期一形形核核Nucleation金属结晶时，形核方式有两种：金属结晶时，形核方式有两种：均匀形核均匀形核Homogeneousnucleation：指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程非均匀形核非均匀形核Heterogeneousnucleation：由于外界因素，如杂质颗粒、铸型内壁等，促进结晶由于外界因素，如杂质颗粒、铸型内壁等，促进结晶晶核的形成晶核的形成第14页，讲稿共120张，创作于星期一均匀形核均匀形核（均质形核、同质形核）（均质形核、同质形核）第15页，讲稿
12、共120张，创作于星期一均匀形核的自由能变化均匀形核的自由能变化在过冷的条件下，金属液体中晶胚的形成和增大，将引起系统自由能在过冷的条件下，金属液体中晶胚的形成和增大，将引起系统自由能变化：变化：转变为转变为固态固态的那部分体积，引起的那部分体积，引起自由能下降自由能下降；晶胚与液相之间增加的晶胚与液相之间增加的界面界面，造成，造成自由能（表面能）增大自由能（表面能）增大设单位体积设单位体积自由能的下降为自由能的下降为Gv(Gv0，说明形成，说明形成临界晶核是需要能量，即形成临界晶核所需的能量临界晶核是需要能量，即形成临界晶核所需的能量G*为为临界形临界形核功核功形成一个临界晶核时，自由能的形
13、成一个临界晶核时，自由能的变化（即临界形核功）为：变化（即临界形核功）为：A*临界晶核的表面积临界晶核的表面积自由能变化与晶胚（核）自由能变化与晶胚（核）半径的关系半径的关系r*G*第18页，讲稿共120张，创作于星期一临界晶核形成的必要条件：临界晶核形成的必要条件：液体中的能量起伏液体中的能量起伏即，临界晶核形成时，自由能增加量即，临界晶核形成时，自由能增加量等于其表面能的三分之一等于其表面能的三分之一液、固两相之间自由能的差值提供液、固两相之间自由能的差值提供形成临界晶核所需表面能的形成临界晶核所需表面能的2/3而另外的而另外的1/3，即临界形核功，即临界形核功G*，则必须依靠液体中存在的
14、能量起伏来提供则必须依靠液体中存在的能量起伏来提供r*G*自由能变化与晶胚（核）半径自由能变化与晶胚（核）半径的关系的关系第19页，讲稿共120张，创作于星期一随过冷度增大，随过冷度增大，r*和和G*减小，减小，有有利于形核利于形核；随过冷度增大（温度降低），原子从液随过冷度增大（温度降低），原子从液相向晶胚扩散的速率降低，相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核不利于形核形核率形核率Nucleationrate形核率：形核率：是指在是指在单位时间内、单位体积单位时间内、单位体积的金属液体中形成的的金属液体中形成的晶核数晶核数如图，金属的结晶在达到某一过冷度如图，金属的结晶在达到某一过冷度（0.2T
15、m）时，时，N急剧上升急剧上升均匀形核所需的过冷度，均匀形核所需的过冷度，Fe为为295、Ni为为319，过冷度较大！，过冷度较大！形核率形核率N与温度（与温度（a）及）及过冷度（过冷度（b）的关系）的关系均匀形核的形核率主要受均匀形核的形核率主要受过冷度过冷度的的控制，然而，过冷度的影响却是控制，然而，过冷度的影响却是两个矛盾两个矛盾的方面的方面：A常数约为常数约为1035；约为约为10-2；G*临界形核功临界形核功第20页，讲稿共120张，创作于星期一非均匀形核非均匀形核Heterogeneousnucleation非均匀形核非均匀形核(非均质形核、异质形核非均质形核、异质形核)实际金属结
16、晶时，实际金属结晶时，往往在不到往往在不到10的很小过冷度的很小过冷度下就开始结晶了，并不需下就开始结晶了，并不需要均匀形核时那样大的过冷度。要均匀形核时那样大的过冷度。原因是，原因是，在实际金属液体中，存在许多微小的在实际金属液体中，存在许多微小的固相质点固相质点；另外，锭模的；另外，锭模的内壁内壁总是与金属液体接触的，这些固体的表面为晶核的形成提供了方便，总是与金属液体接触的，这些固体的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于这些现成的表面而形成晶核优先依附于这些现成的表面而形成第21页，讲稿共120张，创作于星期一非均匀形核原理非均匀形核原理设一个设一个晶核晶核，在已有在已有固相固相W
17、的平面上形成的平面上形成,L表示液相（如图），晶核表示液相（如图），晶核的的形状是形状是半径为半径为r的球冠的球冠，球冠，球冠底圆半径为底圆半径为R此晶核形成时，自由能的变化为：此晶核形成时，自由能的变化为：G=Gt+GS（1）Gt体积自由能变化（下降）体积自由能变化（下降）Gs表面自由能的变化（增加）表面自由能的变化（增加）晶核形成后，不仅增加了晶核晶核形成后，不仅增加了晶核与液相与液相L之间之间的的(-L)界面界面，而且还增加了一个晶核，而且还增加了一个晶核与原固相与原固相W之间的之间的(-W)界面界面，但是，减少了一个与后者面，但是，减少了一个与后者面积相同的积相同的(WL)界面界面此晶
18、核形成时，表面自由能的变化为：此晶核形成时，表面自由能的变化为：GS=A L L+A W WA W LW（2）A球冠表示面积；球冠表示面积；单位界面能（用表面张力表示）单位界面能（用表面张力表示）非均匀形核示意图非均匀形核示意图r LW L2R B第22页，讲稿共120张，创作于星期一在三相交点处，表面张力应达平衡，即在三相交点处，表面张力应达平衡，即 LW=Lcos+W(3)晶核晶核与原固相与原固相W间的接触角间的接触角由几何关系可得：由几何关系可得：A W=R2=r2sin2(4)A L=2 r2（1-cos）(5)将将(3)、(4)和和(5)式代入式代入(2)式，整理可得：式，整理可得：
19、GS=L r2（2-3cos+cos3）(6)球冠状晶核球冠状晶核的体积为：的体积为：V=r3(2-3cos+cos3)/3晶核晶核 的体积自由能变化为：的体积自由能变化为：Gt=V Gv=r3(2-3cos+cos3)/3 Gv(7)将相关式子代入（将相关式子代入（1）式，即可得到形成）式，即可得到形成一个球冠状晶核自由能的变化：一个球冠状晶核自由能的变化：（8）非均匀形核示意图非均匀形核示意图r LW L2R B第23页，讲稿共120张，创作于星期一同样，令同样，令，便可求出非均匀形核的临界晶核半径：便可求出非均匀形核的临界晶核半径：（Gv0）与均匀形核的临界晶核半径公式：与均匀形核的临界
20、晶核半径公式：，两者形式上完全一样两者形式上完全一样表明，在同样的过冷度下，非均匀晶核与均匀晶核的表明，在同样的过冷度下，非均匀晶核与均匀晶核的临界半径大小一样临界半径大小一样但是，非均匀形核的临界晶核的体积要比均匀晶核的但是，非均匀形核的临界晶核的体积要比均匀晶核的体积小得多体积小得多将临界晶核半径将临界晶核半径r*代入代入(8)式，即可求得式，即可求得非均匀形核的临界形核功：非均匀形核的临界形核功：(9)比较均匀形核的临界形核功比较均匀形核的临界形核功，可知：，可知：（10）第24页，讲稿共120张，创作于星期一当当=时时，cos=1,f=1，这说明已有固相对形核不起任何作用这说明已有固相
21、对形核不起任何作用多数情况，多数情况，在在0之间之间，0f1，非均匀形核比均匀形核所需的临界形核功小；相同形核率时，非均匀形核比均匀形核所需的临界形核功小；相同形核率时，前者需要的过冷度小；同样的过冷度时，前者的形核率高前者需要的过冷度小；同样的过冷度时，前者的形核率高由于接触角由于接触角0，所以，所以，-1cos1当当=0时时，cos=1,f=0，这时不需要形核功，即晶体可以直接在已有固这时不需要形核功，即晶体可以直接在已有固相表面长大。这种情况一般只出现在液、固相为相表面长大。这种情况一般只出现在液、固相为同类金属同类金属时，如为了提高形核率（细化晶粒）向时，如为了提高形核率（细化晶粒）向
22、金属液体中加入同类金属的小颗粒，加入的小颗金属液体中加入同类金属的小颗粒，加入的小颗粒就可以粒就可以直接作为结晶的核心直接作为结晶的核心非均匀形核示意图非均匀形核示意图r LW L2R B第25页，讲稿共120张，创作于星期一例例题题：如如图图所所示示依依附附于于基基底底生生长长的的银银的的固固态态晶晶核核，其其中中表表面面张张力力 L/B=410-5J/cm2，L/S=2.2710-5J/cm2，S/B=1.910-5J/cm2。（1）计算接触角的大小；）计算接触角的大小；（2）计算非均匀形核功与均匀形核功的比值。）计算非均匀形核功与均匀形核功的比值。解：解：（1）由式）由式得出：得出：（2
23、）由式）由式第26页，讲稿共120张，创作于星期一非均匀形核非均匀形核 小结小结1）球冠形的非均匀形核与球状的均匀形核有）球冠形的非均匀形核与球状的均匀形核有相同的临界半径相同的临界半径2）接触角）接触角 愈小，形核功愈小，形核时所需的临界过冷度愈小，形核功愈小，形核时所需的临界过冷度 T也愈小，也愈小，非均匀非均匀形核也容易形核也容易3）可以向液体中）可以向液体中添加添加“活化剂活化剂”，降低晶核与基底之间的界面能降低晶核与基底之间的界面能 S/B，以，以降低降低角角，帮助形核帮助形核4）凹面凹面对形核促进效能高，平面居中，凸面较小对形核促进效能高，平面居中，凸面较小第27页，讲稿共120张
24、，创作于星期一晶体长大晶体长大CrystalGrowth晶核形成后，立即开始长大。晶核形成后，立即开始长大。晶体长大晶体长大就是液相原子向固相就是液相原子向固相转转移（扩散）移（扩散）的过程，即通过液体中单个原子或若干个原子同时的过程，即通过液体中单个原子或若干个原子同时依依附（吸附）附（吸附）到晶体的表面上，并按照晶面原子排列的要求与晶体表面原到晶体的表面上，并按照晶面原子排列的要求与晶体表面原子子结合结合起来。起来。固固-液界面液界面的的微观结构微观结构必然影响晶体的长大方式。必然影响晶体的长大方式。固固-液界面液界面处的温度低于熔点一定值，即具有一定的处的温度低于熔点一定值，即具有一定的
25、过冷度过冷度，是晶体得以长大的必要条件。过冷度越大，晶体长大率度越快。是晶体得以长大的必要条件。过冷度越大，晶体长大率度越快。晶体晶体长大的方式长大的方式和和长大速率长大速率对金属的结晶组织影响很大。对金属的结晶组织影响很大。第28页，讲稿共120张，创作于星期一固固-液界面按微观结构可以分为两种液界面按微观结构可以分为两种:光滑界面光滑界面smoothinterface粗糙界面粗糙界面roughinterface固固-液界面结构液界面结构solid-liquidinterface第29页，讲稿共120张，创作于星期一光滑界面（小平面界面）：光滑界面（小平面界面）：指固相表面为基本完整的指固相
26、表面为基本完整的原子密排面原子密排面，固液两相截然分开，从固液两相截然分开，从微观上微观上看界看界面是面是光滑的光滑的，但是从宏观来看，界面呈，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：粗糙界面：在在微观上微观上高低不平、高低不平、粗糙粗糙，存在几，存在几个原子厚度的过渡层，但是宏观上个原子厚度的过渡层，但是宏观上看，界面反而是平直的。看，界面反而是平直的。宏观宏观微观微观微观微观宏观宏观从微观上划从微观上划分界面！分界面！第30页，讲稿共120张，创作于星期一晶体长大方式和生长速率晶体长大方式和生长速率晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的晶体长大也需要一定的过冷度。长大所
27、需的界面界面过冷度过冷度称为称为动态过冷度动态过冷度，用，用Tk表示表示具有具有光滑界面光滑界面的物质，其的物质，其Tk约为约为12；具有；具有粗糙粗糙界面界面的物质，的物质，Tk仅为仅为0.010.05不同结构类型的界面，具有不同结构类型的界面，具有不同的长大机制不同的长大机制第31页，讲稿共120张，创作于星期一 粗糙界面晶体长大机制粗糙界面晶体长大机制 连续长大连续长大粗糙界面上粗糙界面上，约有，约有50%的结晶位置空的结晶位置空着，液相原子可以直接进入这些位置，着，液相原子可以直接进入这些位置，从而使整个固从而使整个固-液界面液界面垂直地向液相中垂直地向液相中推进推进，即晶体沿界面的法
28、线方向向液，即晶体沿界面的法线方向向液相中生长。相中生长。这种长大方式叫做这种长大方式叫做垂直长大垂直长大verticalgrowth，或，或连续长大连续长大，这样的晶体，这样的晶体生长速率很快。生长速率很快。第32页，讲稿共120张，创作于星期一光滑界面晶体长大机制（光滑界面晶体长大机制（I）二维形核二维形核two-dimensionalnucleation光滑界面光滑界面，每向液相中长大一层都是，每向液相中长大一层都是由一个由一个二维晶核二维晶核（一个原子厚度的晶体（一个原子厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长，如此反复进行，直至结晶核
29、侧向生长，如此反复进行，直至结晶完成。晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这由于形成二维晶核需要形核功，这种机制的晶体长大速率很慢。种机制的晶体长大速率很慢。第33页，讲稿共120张，创作于星期一光滑界面晶体长大机制（光滑界面晶体长大机制（II）籍螺型位错生长籍螺型位错生长光滑界面光滑界面，液相原子可以直接添加到界面，液相原子可以直接添加到界面上由于晶体上由于晶体缺陷缺陷而形成的而形成的台阶上台阶上，从而，从而使晶体不断长大。如使晶体不断长大。如螺型位错螺型位错在界面在界面露头就可以提供台阶。露头就可以提供台阶。由于界面上台阶数量有限，这种机制下由于界面上台阶数量有限，这种机制下晶体生长速率也
30、很小。晶体生长速率也很小。第34页，讲稿共120张，创作于星期一二维形核二维形核螺位错长大螺位错长大过冷度过冷度 TK长大速度长大速度vg连续长大连续长大晶体长大机制比较晶体长大机制比较长大速率长大速率vs过冷度过冷度第35页，讲稿共120张，创作于星期一结晶动力学结晶动力学约翰逊约翰逊-梅尔梅尔Johnson-Mehl动力学方程：动力学方程：阿弗拉密阿弗拉密Avrami方程：方程：阿弗拉密方程，是描述结晶和固态相变中转变动力学的唯象方程阿弗拉密方程，是描述结晶和固态相变中转变动力学的唯象方程时间时间长大速率；长大速率；形核率；形核率；已转变晶核体积分数；已转变晶核体积分数；-tvNgrj机制
31、相关，取机制相关，取阿弗拉密指数，与相变阿弗拉密指数，与相变常数常数；已转变晶核体积分数；已转变晶核体积分数；41-nkrj第36页，讲稿共120张，创作于星期一纯金属凝固时，晶体的纯金属凝固时，晶体的生长形态生长形态取决于固取决于固-液界面的液界面的微微观结构观结构和界面前沿和界面前沿液相中的温度梯度液相中的温度梯度纯金属晶体的生长形态纯金属晶体的生长形态在在正温度梯度正温度梯度下，即下，即界面处的界面处的结晶潜热结晶潜热只能通过只能通过固相传导固相传导出去出去，所以界面的推进速度受到，所以界面的推进速度受到固相固相传热速度传热速度的控制的控制由于界面处的液体具有最大的过冷由于界面处的液体具
32、有最大的过冷度，当界面上偶尔发生度，当界面上偶尔发生晶体凸起晶体凸起，就，就会进入温度较高的液体中，会进入温度较高的液体中，晶体生长速度晶体生长速度立即减慢立即减慢甚至甚至停止停止正温度梯度示意图正温度梯度示意图第37页，讲稿共120张，创作于星期一因此，因此，正温度梯度下正温度梯度下，固，固-液界面保持为稳定的平面状，晶体生长液界面保持为稳定的平面状，晶体生长以平面状态向前推进。对于宏观上为锯齿（或称为台阶）状的光滑以平面状态向前推进。对于宏观上为锯齿（或称为台阶）状的光滑界面，也是如此，界面，也是如此，界面保持着原状向前平面式推进界面保持着原状向前平面式推进（见图，图中（见图，图中箭头表示
33、界面推移方向）箭头表示界面推移方向）正温度梯度下的两种界面形状正温度梯度下的两种界面形状正温度梯度示意图正温度梯度示意图第38页，讲稿共120张，创作于星期一界面处温度高是由于结晶潜热所致界面处温度高是由于结晶潜热所致在负的温度梯度下，在负的温度梯度下，界面前方界面前方的液的液体具有体具有更大的过冷度更大的过冷度，因此，当界面，因此，当界面某处固相偶然伸入液相，便能够以更某处固相偶然伸入液相，便能够以更大的速率生长大的速率生长负温度梯度示意图负温度梯度示意图在在负温度梯度负温度梯度下，即下，即第39页，讲稿共120张，创作于星期一负温度梯度下负温度梯度下，伸入液相的晶体形成一个晶轴，称为，伸入
34、液相的晶体形成一个晶轴，称为一次晶轴一次晶轴由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又产生负的温度由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又产生负的温度梯度。这样，一次晶轴上又会产生梯度。这样，一次晶轴上又会产生二次晶轴二次晶轴同理，二次晶轴上也会长出同理，二次晶轴上也会长出三次晶轴三次晶轴由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状生长树枝状生长dendritegrowth。晶。晶体以树枝状生长时，晶体树枝逐渐变粗，树枝间的液体最后全部转变为体以树枝状生长时，晶体树枝逐渐变粗，树枝间的液体最后全部转变为固体，使每个枝晶成为一个
35、晶粒固体，使每个枝晶成为一个晶粒第40页，讲稿共120张，创作于星期一树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察第41页，讲稿共120张，创作于星期一冰冰的的树树枝枝晶晶树枝状晶体形貌树枝状晶体形貌树枝状界面示意图树枝状界面示意图Ni-Ta-Mn-Cr合金倾液后观合金倾液后观察到的界面。察到的界面。第42页，讲稿共120张，创作于星期一固溶体的凝固理论固溶体的凝固理论液态合金液态合金的凝固过程，除了遵循的凝固过程，除了遵循金属结晶金属结晶的一般的一般规律外，由于规律外，由于第二组元的加入第二组元的加入，溶质原子要在，溶质原子要在液、液、固两相中重新分布固两相中重新分布，这对合金的凝固方式和晶体的
36、，这对合金的凝固方式和晶体的生长形态产生重要的影响，而且会引起生长形态产生重要的影响，而且会引起宏观偏析宏观偏析和和微观偏析微观偏析第43页，讲稿共120张，创作于星期一1、正常凝固、正常凝固平衡分配系数平衡分配系数k0：平衡凝固时，固相的质：平衡凝固时，固相的质量分数量分数wS和液相质量分数和液相质量分数wL之比之比匀晶转变：匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程由液相结晶出单相固溶体的过程正常凝固：正常凝固：合金凝固时，出现溶质重新分布的现象合金凝固时，出现溶质重新分布的现象液液固固温度温度温度温度AAwLwSwLwSw（B）%w（B）%w0w0液液固固BB凝固时，有平凝固时，有平衡、非平
37、衡之衡、非平衡之分！分！第44页，讲稿共120张，创作于星期一平衡凝固情形平衡凝固情形长度为长度为L的园棒形锭子的定的园棒形锭子的定向凝固向凝固平衡冷却示意图平衡冷却示意图 在平衡凝固条件下，在任何时间已凝固的在平衡凝固条件下，在任何时间已凝固的固相成分是均匀固相成分是均匀的的，凝固终结时的固相成分为，凝固终结时的固相成分为w w0 0。第45页，讲稿共120张，创作于星期一非平衡凝固情形非平衡凝固情形正常凝固方程正常凝固方程：在非平衡凝固过程中，固相质量浓度随凝固距离的在非平衡凝固过程中，固相质量浓度随凝固距离的变化规律变化规律正偏析：正偏析：溶质浓度溶质浓度由锭表面向中由锭表面向中心逐渐增
38、加的不均匀分布成为心逐渐增加的不均匀分布成为正偏正偏析（内高外低），析（内高外低），它是宏观偏析的它是宏观偏析的一种。（如图，一种。（如图，k01）凝固距离凝固距离 铸锭长；铸锭长；平衡分配系数；平衡分配系数；最初结晶的液相质量浓最初结晶的液相质量浓度（原合金质量浓度）度（原合金质量浓度）非平衡凝固时固相质量非平衡凝固时固相质量浓度浓度xLks00rr第46页，讲稿共120张，创作于星期一2、区域熔炼（区域提纯）、区域熔炼（区域提纯）区域熔炼：区域熔炼：把质量浓度为把质量浓度为 0的固溶体合金，通过由左向右的局部熔炼，的固溶体合金，通过由左向右的局部熔炼，凝固前端部分的溶质浓度不断下降（凝固前
39、端部分的溶质浓度不断下降（k01）示意图）示意图第47页，讲稿共120张，创作于星期一3、液体混合有效分配系数、液体混合有效分配系数有效分配系数有效分配系数ke：由于液体存在由于液体存在层流层流，导致液体中，导致液体中边界边界和和中心中心处溶质浓度不一，即用于表征处溶质浓度不一，即用于表征液体混合程度液体混合程度的特征量的特征量第48页，讲稿共120张，创作于星期一4、合金凝固中的成分过冷、合金凝固中的成分过冷成分过冷：成分过冷：在合金凝固过程中，由于液相中在合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发溶质分布发生变化生变化而改变了而改变了凝固温度（理论值）凝固温度（理论值），与界面前沿液体中的，与界
40、面前沿液体中的实际温度实际温度产生过冷，称为产生过冷，称为成分过冷成分过冷形成条件：形成条件：能否产生成分过冷及程度，取决于液能否产生成分过冷及程度，取决于液-固固界面前沿液体中界面前沿液体中溶质浓度分布溶质浓度分布和和实际温度分布实际温度分布成分过冷、热过冷的区别：成分过冷、热过冷的区别：热过冷热过冷是液态金属的实是液态金属的实际温度低于熔点际温度低于熔点Tm引起的过冷，引起的过冷，成分过冷成分过冷是合金凝固有别是合金凝固有别于纯金属凝固的主要特征于纯金属凝固的主要特征第49页，讲稿共120张，创作于星期一铸锭（件）的组织与缺陷铸锭（件）的组织与缺陷 凝固理论的实际应用凝固理论的实际应用铸件
41、：铸件：在实际生产中，液态金属被注入到铸型模具中在实际生产中，液态金属被注入到铸型模具中成型得到成型得到铸件铸件。对铸件来说，。对铸件来说，铸态组织铸态组织直接影响到它的直接影响到它的力学性能力学性能和和使用寿命使用寿命；铸锭：铸锭：注入铸造模具中得到的注入铸造模具中得到的铸锭铸锭；对铸锭而言，；对铸锭而言，铸态铸态组织组织不但影响到它的不但影响到它的压力加工性能压力加工性能，而且还影响到压力加工，而且还影响到压力加工后的后的金属制品的组织金属制品的组织和和性能性能。第50页，讲稿共120张，创作于星期一晶核晶核激冷晶粒激冷晶粒柱状晶粒柱状晶粒等轴晶粒等轴晶粒1.表层细晶区表层细晶区在浇注时，
42、由于在浇注时，由于铸型模壁铸型模壁温度较低，有强烈地温度较低，有强烈地吸热吸热和和散热散热作用，使靠近模壁的作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的一层液体产生很大的过冷度过冷度，加上模壁的表面可以作为，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心非均匀形核的核心，因此，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的的等轴晶粒区等轴晶粒区。铸锭铸锭(件件)三晶区的形成三晶区的形成第51页，讲稿共120张，创作于星期一晶核晶核激冷晶粒激冷晶粒柱状晶粒柱状晶粒等轴晶粒等轴晶粒2.柱状晶区柱状晶区在表层细晶区
43、形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的冷却变慢剩余液体的冷却变慢，并且由于细晶区结晶时并且由于细晶区结晶时释放潜热释放潜热，故细晶区前沿液体的，故细晶区前沿液体的过冷度减小过冷度减小，使继续形核变，使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时热量的散失垂直于型壁热量的散失垂直于型壁，故只，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向沿着与散热相反的方向择优生长择优生长而形成而形成柱状晶区柱
44、状晶区。第52页，讲稿共120张，创作于星期一晶核晶核激冷晶粒激冷晶粒柱状晶粒柱状晶粒等轴晶粒等轴晶粒3.中心等轴晶区中心等轴晶区柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，高，散热速度进一步减慢散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也，导致柱状晶体也停止长大停止长大。当中心部液体。当中心部液体全部冷至实际结晶温度全部冷至实际结晶温度Tm以下时，在以下时，在杂质作用下杂质作用下以以非均匀形核非均匀形核方式形成许方式形成许多尺寸较大的多尺寸较大的等轴晶粒等轴晶粒。第53页，讲稿共120张，创作于星期一铸锭组织的控制铸锭组织的控制
45、合金的铸锭一般都具有明显的合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区三个晶区，但当浇注条件，但当浇注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同,甚至获得甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。有利于柱状晶区发展的因素：有利于柱状晶区发展的因素：快的冷却速度、高的浇注温快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。度、定向的散热等。有利于等轴晶区发展的因素：有利于等轴晶区发展的因素：慢的冷却速度、低的浇注温慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、度、均匀散热、变质处理以及一些物理
46、方法（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。超声波振动等）。第54页，讲稿共120张，创作于星期一铸锭缺陷铸锭缺陷1.缩孔缩孔 大多数液态金属的密度比固态的小，因此结晶时发大多数液态金属的密度比固态的小，因此结晶时发生生体积收缩体积收缩。金属收缩后，如果没有液态金属继续补。金属收缩后，如果没有液态金属继续补充的话，就会出现充的话，就会出现收缩孔洞收缩孔洞，称之为，称之为缩孔缩孔。缩孔缩孔是一种重要的铸造缺陷，对材料性能有很大影响。通是一种重要的铸造缺陷，对材料性能有很大影响。通常缩孔是不可避免的，人们只能通过改变结晶时的常缩孔是不可避免的，人们只能通过改变结晶时的冷却条件冷却条件和和铸模的形状铸
47、模的形状（如加冒口等）来控制其出现的部位和分布状（如加冒口等）来控制其出现的部位和分布状况。况。第55页，讲稿共120张，创作于星期一2.气孔气孔在高温下在高温下液态液态金属中常金属中常溶有大量气体溶有大量气体，但在，但在固态金属固态金属的的组织中只能溶解组织中只能溶解极微量的气体极微量的气体。因而，在凝固过程中，。因而，在凝固过程中，气体聚集成气孔气体聚集成气孔夹杂在固态材料中。夹杂在固态材料中。去除方法：去除方法：如果使液态金属保持在如果使液态金属保持在较低温度较低温度，或者向液态金属中加，或者向液态金属中加入可与气体反应而入可与气体反应而形成固态形成固态的元素，以及使气体分压减小，都可以
48、使铸件的元素，以及使气体分压减小，都可以使铸件中的中的气孔减少气孔减少。减低气体分压减低气体分压的方法是把熔融金属的方法是把熔融金属置入真空室置入真空室内，或向内，或向金属中金属中吹入惰性气体吹入惰性气体。危害：危害：内部的气孔在压力加工时一般可以内部的气孔在压力加工时一般可以焊合焊合，而靠近表层的气，而靠近表层的气孔则可能由于孔则可能由于表皮破裂表皮破裂而发生氧化，因而在压力加工前必须予以切除，而发生氧化，因而在压力加工前必须予以切除，否则易形成否则易形成裂纹裂纹。第56页，讲稿共120张，创作于星期一3.偏析偏析偏析：偏析：铸锭中各部分化学成分不均匀的现象铸锭中各部分化学成分不均匀的现象
49、焊接：焊接：凝固决定焊缝熔化区组织和性能的因素，与金属铸造中的因素基本相同。凝固决定焊缝熔化区组织和性能的因素，与金属铸造中的因素基本相同。焊缝熔化区焊缝熔化区的不平衡结晶导致产生的不平衡结晶导致产生枝晶偏析枝晶偏析，使焊缝的力学性能下降，特别是，使焊缝的力学性能下降，特别是塑塑性和韧性显著降低性和韧性显著降低，也使焊缝的，也使焊缝的抗腐蚀性能下降抗腐蚀性能下降。工业生产上广泛应用工业生产上广泛应用扩散退火（也称为均匀化退火）扩散退火（也称为均匀化退火）的方法，来消除枝晶偏析。的方法，来消除枝晶偏析。在焊缝熔化区中加入孕育剂也可细化焊缝组织。在焊缝熔化区中加入孕育剂也可细化焊缝组织。第57页，
50、讲稿共120张，创作于星期一钢锭的组织特征钢锭的组织特征 钢在冶炼后，除少数直接浇成铸件外，大部分都先铸成钢钢在冶炼后，除少数直接浇成铸件外，大部分都先铸成钢绽，然后再轧成各种型材。绽，然后再轧成各种型材。钢锭的钢锭的宏观组织特征宏观组织特征，是，是钢的质量钢的质量的重要标志之一的重要标志之一 根据钢的根据钢的脱氧程度脱氧程度，可将钢锭分为：，可将钢锭分为：1 1、镇静钢镇静钢2 2、沸腾钢、沸腾钢3 3、半镇静钢、半镇静钢第58页，讲稿共120张，创作于星期一缩孔缩孔气孔气孔下部锥体下部锥体中部等轴晶粒区中部等轴晶粒区缩松缩松表层细晶粒区表层细晶粒区柱状晶粒区柱状晶粒区1.镇静钢镇静钢 钢液