第三章:纯金属的凝固(结晶).pptx
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第三章:纯金属的凝固(结晶).pptx
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,第三章:
纯金属的凝固(结晶)结晶概念:
金属由液态转变为固态的过程。
金属原子由短程有序变为长程有序的过程。
为何研究结晶:
结晶时,希望获得均匀细小的晶粒强度、硬度高,塑性、韧性好。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)结晶概念:
金属由液态转变为固态的过程。
为何研究结晶:
金属生产:
熔炼浇注结晶其它加工。
结晶后组织(原始组织)影响:
加工性能。
使用性能。
晶体缺陷:
在结晶过程中产生。
为掌握合金结晶打基础,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1纯金属结晶的过程3.1.1液态金属的结构液体金属结构理论认为,液体中原子堆集是密集的,但大范围原子排列不是规则的。
从局部微小区域来看,原子可以偶然地在某一瞬间内出现规则的排列,然后又散开。
这种现象称为“近程有序”。
这些大小不一的近程有序排列的此起彼伏(结构起伏)就构成了液体金属的动态图像。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1纯金属结晶的过程3.1.1液态金属的结构局部微小区域内,原子偶然地在某一瞬间内出现规则的排列,然后又散开的现象导致了-液态金属中原子集团的“近程有序”这种近程有序的原子集团就是晶胚。
在具备一定条件时,大于一定尺寸的晶胚就会成为可以长大的晶核。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1.2纯金属结晶的过程的宏观现象。
1过冷现象过冷度:
T=TmTnTm:
金属的理论结晶温度。
液固共存温度。
Tm-理论结晶温度;Tn-实际结晶温度。
结论:
金属结晶须过冷,且冷速愈快,则T越大Tn越低。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1纯金属结晶的过程3.1.2结晶过程的的宏观现象。
2.放出结晶潜热。
结晶放热使冷却曲线产生平台。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1纯金属结晶的过程3.1.3金属结晶的微观过程两个过程:
形核、长大形核:
液态金属内部形成极小的晶体(晶核)。
长大:
原子向晶核有序靠拢,形成较大晶体长程有序。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.1纯金属结晶的过程3.1.3金属结晶的微观过程*第一批晶核形成、长大的同时,又出现第二批形核长大交替进行。
*由于各晶核空间位向不同,结晶后每一个晶粒位向不同多晶体。
一个晶核可长成一个晶粒。
因此,晶核越多,结晶后晶粒越细。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.2金属结晶的热力学条件结晶为何需过冷?
提供热力学条件。
热力学第二定律:
在等温等压下,任何自发进行的过程都是向自由能降低的方向进行。
结晶:
高能低能。
第三章:
纯金属的凝固(结晶),32金属结晶的热力学条件为何有如此的能量变化曲线?
推导结晶为何需要过冷G=HTS体系自由能热焓熵(表示原子排列混乱程度),第三章:
纯金属的凝固(结晶),32金属结晶的热力学条件单位体积自由能变化:
推导结晶为何需要过冷,第三章:
纯金属的凝固(结晶)32金属结晶的热力学条件,在TTm时,第三章:
纯金属的凝固(结晶)32金属结晶的热力学条件当T=0时,GV=0即不结晶也不熔化当T0时,GV0,才有驱动力才结晶。
T,GV越负,结晶驱动力越大,结晶越易进行。
结论:
金属结晶需要过冷。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)33形核规律形核:
(有以下两种形核方式)均匀形核(自发形核,均质形核):
在T下,依靠金属自身形核。
非均匀形核(非自发形核,异质形核):
液态金属依附在已存在的固相质点上形核。
第三章:
纯金属的凝固(结晶),33形核规律3.3.1均匀形核1形核时能量变化和临界晶核半径。
液态金属中存在晶胚:
几个-几百个原子有序排列。
结构起伏(相起伏):
晶胚时聚时散,时隐时现的现象。
随T,晶胚尺寸增大。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3形核规律3.3.1均匀形核1.形核时能量变化和临界晶核半径。
多大尺寸晶胚可作为晶核长大呢?
在T下,假设:
晶核为球形,半径为r,则有系统总自由能变化:
G=VGV+AA-表面积,-比表面能GV=GS-GL0(结晶阻力)随晶核长大,表面能上升。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)33形核规律3.3.1均匀形核,1形核时能量变化和临界晶核半径。
对球形晶核,由G=VGV+A可得,设r*为临界晶核半径。
当rr*,晶胚长大使G,形核。
在r=r*时,G极大G*,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核1.形核时能量和临界晶核半径。
在r=r*时,G极大值G*,则有,又因为所以,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核1.形核时能量和临界晶核半径。
T,r*,小尺寸的晶胚即可作为晶核而长大。
T,r*,晶核数目越多,结晶后晶粒越细。
设T*为临界过冷度:
当TT*,rmaxr*-结晶纯净金属:
T*=0.2Tm,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核2形核功:
G*-形核阻力,形核时需补偿的能量。
将代入G=VGV+A中,则,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核2形核功:
上式的意义是:
在r=r*时,液体金属凝固形核时体积自由能的下降只能补偿表面能的2/3。
还有1/3还需外部提供依靠能量起伏,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核2形核功:
能量起伏:
液态金属微区内,自由能偏离平衡能量的现象。
依靠能量起伏来补偿形核功。
G*-T关系因为所以,T,G*-形核阻力减小,第三章:
纯金属的凝固(结晶)33形核规律3.3.1均匀形核形核条件总结:
必须过冷:
提供驱动力T,GV(驱动力),r*,G*需结构起伏:
提供晶胚。
需能量起伏:
补偿形核功。
需要成分起伏(非纯金属)。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3形核规律3.3.1均匀形核3.形核率:
概念:
指单位时间、单位体积液相中所形成的晶核数目,用N表示。
N,结晶后晶粒越细,力学性能越好。
形核率与过冷度的关系N受两个矛盾的因素控制表达式:
N=N1N2,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核
(2)形核率与过冷度的关系N受两个矛盾的因素控制表达式:
N=N1N2N1为受形核功影响的形核率因子;N2为受扩散影响的形核率因子。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.1均匀形核
(2)形核率与过冷度的关系随T,r*,G*,rmax,N1随T,原子扩散困难,N2,第三章:
纯金属的凝固(结晶),33形核规律3.3.1均匀形核T很小时:
r*大,G*大,难于形核T特大时:
原子不能扩散,不结晶,非晶态(冷速107/s)(N-T的虚线部分很难达到:
只有金属液滴骤冷时才能达到)可以说,T越大,形核率越高,结晶后晶粒越细。
增大过冷度可细化晶粒。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3形核规律3.3.2非均匀形核实际金属结晶形核,多为非均匀形核液态金属中存在高熔点杂质(可作为异质晶核)液态金属与铸锭模壁接触。
特点:
所需过冷度低。
在T相同时,形核率高,结晶后晶粒细小。
第三章:
纯金属的凝固(结晶),3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
G=VGV+A假设在平面基底(W)上形成球冠晶核,晶核形成时,增加的表面能为:
分别为晶核与液相、晶核与基底、液相与基底间的比表面能。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
表面张力在交点处平衡:
式中:
-晶核与基底W接触角(润湿角);r-晶核半径。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)33形核规律332非均匀形核1临界晶核半径与形核功。
采用曲面积分求出球冠表面积:
AL=2r2(1-cos)晶核与基底接触面积:
AW=R2R=rsin三重积分求出球冠体积:
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
在平面基底(W)上形成球冠晶核时,在系统总自由能变化中增加的表面能部分为:
系统总自由能变化G=VGV+GS,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
在平面基底(W)上形成球冠晶核时,系统总自由能变化:
G=VGV+GS其中:
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
讨论:
G非G均,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3.2非均匀形核1.临界晶核半径与形核功。
同样取:
得:
由此可导出非均匀形核形核功:
第三章:
纯金属的凝固(结晶)33形核规律332非均匀形核讨论:
非均匀形核所需晶胚体积小,小尺寸的相起伏(晶胚)可作为晶核。
非均匀形核形核阻力小,易形核。
第三章:
纯金属的凝固(结晶),3.3.2非均匀形核浸润角对形核影响,第三章:
纯金属的凝固(结晶)332非均匀形核浸润角对形核影响,晶核在固相质点上直接长大。
固相质点不起作用。
临界晶核体积越小,N越高。
第三章:
纯金属的凝固(结晶),浸润角对形核影响,332非均匀形核满足小的条件:
固相质点与晶核晶体结构相同或相近固态质点与晶核原子尺寸相近(共格)。
满足上述条件的质点称变质剂(孕育剂、人工晶核)。
*在金属结晶时,有意加入一些变质剂,以达到细化晶粒的目的变质处理。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.3形核规律3.3.2非均匀形核非均匀形核所需过冷度很小。
总结金属结晶条件:
需过冷:
提供驱动力。
需结构起伏:
提供晶胚。
需能量起伏:
补偿形核功,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4长大规律晶核长大是液态原子向固相迁移扩散的过程决定晶体长大方式和形态的因素:
液-固界面的微观结构。
液-固界面前沿温度梯度。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.1液-固界面的微观结构晶核长大是液-固界面两侧原子迁移的过程。
界面的微观结构会影响晶核的长大方式。
液-固界面按微观结构可分为两种,即光滑界面和粗糙界面。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.1液-固界面的微观结构液-固界面按微观结构:
光滑界面和粗糙界面光滑界面:
在界面处固液两相截然分开光滑界面固相表面为基本完整的原子密排面,所以从微观来看界面是光滑的。
从宏观上看,它往往是由若干曲折的小平面组成,是不平整的,因此光滑界面又称小平面界面。
微观,宏观,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4长大规律3.4.1液-固界面的微观结构液-固界面按微观结构:
光滑界面和粗糙界面。
粗糙界面:
在微观上高低不平,存在厚度为几个原子间距的过渡层的液-固界面。
这种界面在微观上是粗糙的。
但由于界面很薄,所以从宏观上看,界面反而是平整光滑的。
这种界面又称非小平面界面。
微观,宏观,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4长大规律3.4.1液-固界面的微观结构总结:
光滑界面:
微观上:
液-固相界分开,固相表面为光滑密排宏观上:
曲折小平面组成。
小平面界面。
粗糙界面:
微观上:
原子在界面上排列高低不同。
粗糙宏观上:
界面平整非小平面界面。
金属液-固界面的微观结构都为粗糙界面,亚金属(Sn、Sb、Si)、非金属以及金属化合物多为光滑界面。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.2晶核的长大机制晶核长大也需要过冷度。
长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度,用Tk表示。
具有光滑界面的物质,其Tk约为12。
具有粗糙界面的物质,其Tk仅为0.010.05。
这说明不同类型的界面,其长大机制不同。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.2晶核的长大机制1.具有粗糙界面的物质的长大机制具有粗糙界面的物质,界面上有一半的结晶位置空着,液相中的原子可直接迁移到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。
这种长大方式叫垂直长大。
垂直长大时生长速度很快。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4长大规律3.4.2晶核的长大机制2.具有光滑界面的物质的两种长大机制。
光滑界面
(1)二维晶核长大
(2)螺位错长大,第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.2晶核的长大机制2具有光滑界面的物质的长大机制具有光滑界面的物质长大机制有以下两种。
(1)界面上反复形成二维晶核的机制这种方式,每增加一个原子层都需形成一个二维晶核,然后侧向铺展至整个表面。
形成二维晶核需要形核功,这种机制下晶体长大速率很慢。
第三章:
纯金属的凝固(结晶)3.4晶核长大规律3.4.2晶核的长大机制2.具有光滑界面的物质的长大机制
(2)依靠晶体缺陷长大液体中的原子不断添加到晶体缺陷的台阶上使晶体长大。
如可沿螺型位
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