液态金属凝固热力学及动力学概要.ppt

Thermodynamics and kinetics of solidification?? 液态金属凝固热力学及动力学 §3-1 凝固热力学（均质生核） 1、热力学条件： L?S, ?G0, 过程自发进行 液态金属结晶的动力是由过冷提供的,不会在没有过冷度的情况下结晶 阻力: 新界面的形成 热力学能障 由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生— 动力学能障 它由金属原子穿越界面过程所引起--原则上与驱动力大小无关而仅取决于界面结构与性质--激活自由能--晶体生长 在相变驱动力的驱使下，借助于起伏作用来克服能量障碍 液相与固相体积自由能之差--相变的驱动力 由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能--相变的阻力 2.均匀形核理论 ? ? 临界形核半径 临界形核功等于表面能的1/3。由液态金属中的能量起伏提供 3、形核速率 4、均质生核（自发生核）理论的局限性 非均质形核(异质形核 )--形核依赖于液相中的固相质点表面发生 液相中的原子集团依赖于已有的异质固相表面并在界面张力的作用下，形成球冠 §3-2 异质形核 2. 异质形核速率 3. 影响因素 （1）过冷度 （2）形核基底的性质 点阵畸变，可用点阵错配度δ来衡量 当δ≤0.05时，称完全共格界面，其界面能σCS较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。 当 0.05δ0.25时，通过点阵畸变过渡和位错网络调节，可以实现部分共格界面。 图3－10 不同形状界面下的非均匀形核 （3）形核基底的形状 （4）形核基底的数量——受过热度及持续时间的影响 4. 形核控制 （1）促进形核 （2）抑制形核 （3）选择形核 §3-3 凝固过程中的溶质再分配 1、起因 TL TS 图3-3 三种凝固条件下凝固界面附近的熔质分配情况 (a) 平衡凝固 (b) 近平衡凝固 ?非平衡（快速）凝固 k0 ke ka §3-4 纯金属晶体长大 一、晶体宏观长大方式 1、平面方式生长 S/L前沿为正的温度梯度：GL=dT/dx0 ; 2、树枝晶方式生长 S/L前沿为负的温度梯度：GL=dT/dx0 二、晶体微观长大方式 1、Jackson 因子 x=NA/N界面原子的占据率 图3-15 界面自由能变化与界面上原子所占位置分数的关系 ?2的金属： ? 2的金属： 2、固液界面的微观结构 （1）粗糙界面 （2）平整界面 3、晶体微观长大方式和长大速率 （1）粗糙界面——粗糙界面的生长 特点：1）动力学过冷度很小，ΔTK＝0.01~0.05K 2）生长速度很快，V1=K1ΔTK 3）连续生长的结果晶体的表面是光滑的。 “微观上粗糙，宏观上光滑（长大后)” （2）侧向生长（二维生长）——平整界面的生长 台阶或晶体缺陷处 特点：1）过冷度影响大 2）生长速度慢， ΔTK2＝1~2K 要求大 V2=K2exp(-B/ΔTK ) 3）小平面生长成多面体晶体，棱角发明。 “微观上光滑，宏观上粗糙（长大后)” （3）从缺陷处生长 位错、挛晶处——天然的台阶 1）螺旋位错 （3）从缺陷处生长 2）旋转挛晶生长 (a) (b)图 通过孪晶生长机制(a)石墨的旋转孪晶及其生长台阶(b)面心立方晶体反射孪晶及其凹角边界 3）反射挛晶生长 （4）生长速度比较