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第四章 凝固、晶体缺陷与固体扩散.pdf

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第四章 凝固、晶体缺陷与固体扩散 §4 .1 金属的凝固(Solidification of Metals) 一般金属及合金的凝固过程分为两个阶段: 1) 熔融金属中形成稳定晶核——形核; 2) 晶核长大成为晶体,并形成晶粒组织——晶核生长。 结晶完成后获得的晶粒的可以是等轴、柱状或枝晶,晶粒的最终形状与多 种因素有关。 一.晶核的形成(The Formation of Stable Nuclei in Liquid Metals) 结晶核心的形成有两种主要方式,即均匀形核与非均匀形核。 1.均匀形核(Homogeneous Nucleation ) 从熔融液体内部自发地长出结晶核心的凝固过程称为均匀形核。 液态金属的结构从长程范围(宏观)来看,原子排列是不规则的;而在短程 范围(微观),每一瞬间都存在着大量尺寸不等的规则排列的原子团。液体金属 中的规则排列的原子团总是处于此起彼伏的变化中,这种现象称为液态金属的相 起伏或结构起伏。 相起伏是产生晶核的基础。 凝固点温度以下,只有当尺寸超过某一临界值的相起伏才能稳定生长。 尺寸小于临界值的相起伏称为晶胚;尺寸大于临界值的则称为晶核。 过冷是晶核形成的必要条件。 2 .均匀形核时的能量变化(Energies involved in homogenous nucleation) 纯金属均匀形核凝固时,有两类能量变化需纳入考虑: 1) 原子从液态转变成固体时释放的体积自由能(驱动力) ; 2) 构造固体颗粒新表面的表面自由能(阻力) 。 GT GV Gs (4- 1) GV V Gv (4-2) Gs A g (4-3) 式中,G ——液、固两相单位体积自由能差, 0 ; v —— 晶胚比表面自由能。 4-1 设形成的晶胚呈半径为r 球形, 4 3 2 G GT pr Gv 4pr g (4-4) s 3 3 2 * GV r ,而Gs r 。 GT G T GT 与r 的关系如图所示。 * 当r r 时, GT 0 ,且r ↗, GT ↗; G V * 当r r 时,r ↗, GT ↘。 * r = r 时, GT 达到最大值。 * r ——称为临界半径; * * 半径恰好等于r 的晶核就称为临界晶核; GT 称为临界形核功。 GT 对r 求导,并令 d ( GT ) 0
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