材料科学与工程基础第二章详解.ppt

第二章 纯金属的结晶 Metal Crystallization 材料由液态转变为固态的过程称为凝固，是一种复杂的物理化学过程。 如果凝固后得到晶体，这种凝固过程就称为结晶。 由于材料通常在固态下使用，所以凝固常常作为材料制备的基本手段。 金属结晶时形成的组织——铸态组织对性能有较大影响。 实际金属一般是多晶体与结晶过程密切相关。 第一节 金属的结晶过程 一、结晶过程的宏观现象 1. 过冷现象 过冷度:(1)金属种类 (2)金属纯度 (3)冷却速度 对一定的金属来说,过冷度有一最小值. 2. 结晶潜热 金属结晶时从液相转变为固 相放出的热量称为结晶潜热。 二、金属结晶的微观过程 两个过程：形核与长大 第二节 金属结晶的热力学条件 第三节 金属结晶的结构条件 液态金属的结构 (1)长程无序，短程有序 　 (2)结构起伏(相起伏): 时聚时散,此起彼伏,大小不等 的规律排列的原子集团 相起伏是形核的结构条件。 每一温度下出现的尺寸最大的相起伏与温度有关： ΔT , rmax 第四节 晶核的形成 均匀形核 - 理想情况 形核方式 非均匀形核 – 实际金属结晶方式 一、均匀形核 为什么等于或大于临界尺寸的晶胚才能成为晶核? 1. 从形核时能量的变化分析 结晶过程系统自由能的总变化 ΔG= -ΔGVV+σS 二、非均匀形核 晶核依附于现成的固体表面上形成 1. 临界晶核半径和临界形核功 假设一晶核α以球冠形状形成于 基底β表面上，如图所示： σLα 、σLβ、σβα 分别为 L—α ，L—β， β—α之间的单位界面能； θ为润湿角； A1为半径为rsinθ的圆面积， A2为球冠的表面积，V为球冠的体积； 由表面张力平衡关系知： σLScosθ+σsc=σLC A1=π（rsinθ）2 形核前的界面能为：σLCA1 形核后的界面能为：σLSA2+σSCA1 故：ΔGS=（σLSA2+σSCA1）-σLCA1 =2πr2σLS(1-cosθ)+πr2θ(σSC-σLC) 把σLC=σLScosθ+σsc代入上式，得： ΔGS=πr2σLS(2-3cosθ+(cosθ)3) ΔGS为形核的界面能变化值; 体积相变吉布斯自由能: 由非均匀形核的总的吉布斯自由能变化为 体积相变吉布斯自由能与表面吉布斯自由能变化之和。 当θ=0时，ΔG’=0 完全润湿，不需要形核功， 基底本身是现成晶核,可以直接长大 当θ=π时，ΔG’=ΔG，此时为均匀形核 当0θπ时，ΔG’ΔG，且θ愈小，形核愈容易 第五节 晶核长大 晶核的长大需要两个条件： 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子，使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能力，温度足够高。 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子，这既要求一定的晶体表面结构，同时又意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加，即在一定的过冷度下进行。 一、固液界面的微观结构和对长大方式、速度的影响 1. 界面微观结构的描述 (1)光滑界面 x≈0或100% 液固界面截然分开 杰克逊因子α≥5 eg:有机化合物 (2)粗糙界面 x≈50% 液固界面犬牙交错 杰克逊因子α≤2 eg: Fe、Al、Cu 等金属 (3)混合型界面 2. 长大方式和速度 (1) 光滑界面-台阶 速度慢 (2) 粗糙界面-垂直长大方式 速度快 大部分金属晶体的长大方式 (3) 过冷度对长大速度也有很大影响 二、固液界面前沿液体中的温度梯度及对晶体长大形态的影响 1.固液界面前沿液体中的温度梯度 三、晶粒大小的控制 晶体中晶粒的大小，对金属性能有很大的影响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械性能越好。 3. 晶粒大小的控制 单位体积晶粒数决定于形核率N和长大速度G两个因素。因此控制形核率和形核速度也就控制了晶粒的大小。 晶粒大小的控制方法： （1）增加过冷度； （2）变质处理； （3）振动、搅拌 (1)冷却速度或过冷度的影响： △T越大，铸件晶粒越细； 薄壁铸件与厚壁铸件对晶粒