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1、材料科学基础p第1页，此课件共27页哦第三章 凝固 炼钢 浇注 炼铜第2页，此课件共27页哦第三章第三章 凝固凝固n n凝凝固固：物物质质从从液液态态到到固固态态的的转转变变过过程程。若若凝凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。固后的物质为晶体，则称之为结晶。n n凝凝固固过过程程影影响响后后续续工工艺艺性性能能、使使用用性性能能和和寿寿命。命。n n凝凝固固是是相相变变过过程程，可可为为其其它它相相变变的的研研究究提提供供基础。基础。第3页，此课件共27页哦第一节第一节 材料结晶的基本规律材料结晶的基本规律1 1 液态材料的结构液态材料的结构结构：长程有序而短程有序。结构：长程有序而短程有序。特
2、特点点（与与固固态态相相比比）：原原子子间间距距较较大大、原原子子配配位位数数较较小小、原原子子排排列列较较混乱。混乱。第4页，此课件共27页哦第一节第一节 材料结晶的基本规律材料结晶的基本规律2过冷现象过冷现象（1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。与其实际温度之差。T=Tm-T(见冷却曲线见冷却曲线)注：过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行）。注：过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行）。第5页，
3、此课件共27页哦第一节第一节 材料结晶的基本规律材料结晶的基本规律3结晶过程结晶过程（1）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数）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。表示。长长大大速速度度：晶晶核核生生长长过过程程中中，液液固固界界面面在在垂垂直直界界面面方方向向上上单单位位时时间间内内迁移的距离。用迁移的距离。用G表示。表示。第6页，此课件共27页哦第二节第二节 材料结晶的基本条件材料结晶的基本条件 1 1 热力学条件热力学条件（1
4、1）G-TG-T曲线（图曲线（图3 34 4）a a 是下降曲线：由是下降曲线：由G-TG-T函数的一次导数（负）确定。函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-SdG/dT=-S b b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d d2 2G/dG/d2 2T=-CT=-Cp p/T/T c c 液相曲线斜率大于固相：液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料的熔点二曲线相交于一点，即材料的熔点。第7页，此课件共27页哦第二节 材料结晶的基本条件 1热力学条件热力学条件（2）热力学条件）热力学条件Gv=LmT/TmaT0,
5、Gv0时时,Gk非非Gk,杂质促进形核；杂质促进形核；c=180时，时，Gk非非Gk，杂质不起作用。杂质不起作用。第15页，此课件共27页哦第三节 晶核的形成晶核的形成 2非均匀形核非均匀形核（4）影响非均匀形核的因素）影响非均匀形核的因素a过冷度：（过冷度：（N-T曲线有一下降过程）。（图曲线有一下降过程）。（图316）b外来物质表面结构：外来物质表面结构：越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图317）第16页，此课件共27页哦第四节第四节 晶核的长大晶核的
6、长大 1晶核长大的条件晶核长大的条件（1）动态过冷）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件）（2）足够的温度）足够的温度（3）合适的晶核表面结构。）合适的晶核表面结构。第17页，此课件共27页哦第四节第四节 晶核的长大晶核的长大 2液固界面微结构与晶体长大机制液固界面微结构与晶体长大机制粗粗糙糙界界面面（微微观观粗粗糙糙、宏宏观观平平整整金金属属或或合合金金从从来来可可的的界界面面）：垂垂直直长大。长大。光光滑滑界界面面（微微观观光光滑滑、宏宏观观粗粗糙糙无无机机化化合合物物或或亚亚金金属属材材料料的的
7、界界面面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第18页，此课件共27页哦第四节第四节 晶核的长大晶核的长大 2液固界面微结构与晶体长大机制液固界面微结构与晶体长大机制粗粗糙糙界界面面（微微观观粗粗糙糙、宏宏观观平平整整金金属属或或合合金金从从来来可可的的界界面面）：垂垂直直长大。长大。光光滑滑界界面面（微微观观光光滑滑、宏宏观观粗粗糙糙无无机机化化合合物物或或亚亚金金属属材材料料的的界界面面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。第19页，此课件共27页哦第四节第四节 晶核的长大晶核的长大 3液体中温度梯度与晶体的
8、长大形态液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）粗糙界面：平面状。粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状。光滑界面：台阶状。第20页，此课件共27页哦第四节第四节 晶核的长大晶核的长大 3液体中温度梯度与晶体的长大形态液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）粗糙界面：树枝状。粗糙界面：树枝状。光滑界面：树枝状多面体光滑界面：树枝状多面体台阶状。台阶状。第21页，此课件共27页哦第五节第五节 高分子材料的结晶高分子材料的结晶 特点：结
9、晶不完全性、不完善性、结晶速度慢特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢一一与低分子结晶的相似性与低分子结晶的相似性1结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。2结晶过程：形核与长大结晶过程：形核与长大均匀形核：高分子链靠热均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。运动组成有序排列形成晶核。非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁为中心形核。非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁为中心形核。3非均匀形核所需过冷度小。非均匀形核所需过冷度小。第22页，此课件共27页哦第五节第
10、五节 高分子材料的结晶高分子材料的结晶 特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢二二与低分子结晶的差异性与低分子结晶的差异性结晶的不完全性。一般结晶的不完全性。一般50%，最高约，最高约95%。（1）链的对称性。对称性越高，越容易结晶。）链的对称性。对称性越高，越容易结晶。（2）链的规整性。规则的构型，有利于结晶，有利于共聚结晶。）链的规整性。规则的构型，有利于结晶，有利于共聚结晶。（3）链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。）链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。第23页，此课件共27页哦第六节第六节 凝固理论的应用凝固理论的应用 1材料铸态晶粒度的控
11、制材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。（3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。第24页，此课件共27页哦第六节第六节 凝固理论的应用凝固理论的应用 2单晶体到额制备单晶体到额制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。第25页，此课件共27页哦第六节 凝固理论的应用 3 定向凝固技术 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。（2）制备方法。第26页，此课件共27页哦第六节第六节 凝固理论的应用凝固理论的应用 4急冷凝固技术急冷凝固技术（1）非晶金属与合金）非晶金属与合金（2）微晶合金。）微晶合金。（3）准晶合金。）准晶合金。第27页，此课件共27页哦