第三章凝固.ppt

1,第三章 凝固,熔化,2,第三章 凝固,煉鋼 澆注 煉銅,3,第三章 凝固,凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。 若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之 為結(jié)晶。 凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。 凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。,4,第一節(jié) 材料結(jié)晶的基本規(guī)律,第 三 章 第 一 節(jié) 結(jié) 晶 規(guī) 律,1 液態(tài)材料的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：長程無序而短程有序。 特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。,5,第一節(jié) 材料結(jié)晶的基本規(guī)律,第 三 章 第 一 節(jié) 結(jié) 晶 規(guī) 律,2 過冷現(xiàn)象 supercooling （1）過冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。 （2）過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm) 與其實(shí)際溫度之差。 T=Tm-T (見冷卻曲線) 注: 過冷是凝固的必要條件 (凝固過程總是在一定的過冷度下進(jìn)行)。,6,第一節(jié) 材料結(jié)晶的基本規(guī)律,第 三 章 第 一 節(jié) 結(jié) 晶 規(guī) 律,3 結(jié)晶過程 （1）結(jié)晶的基本過程：形核長大。（見示意圖） （2）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù) 形核率：單位時(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。 長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間 內(nèi)遷移的距離。用G表示。,7,第二節(jié) 材料結(jié)晶的基本條件,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,1 熱力學(xué)條件 （1）G-T曲線 a 是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。 dG/dT=-S b 是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。 d2G/d2T=-Cp/T c 液相曲線斜率大于固相： 由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。 二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。,8,第二節(jié) 材料結(jié)晶的基本條件,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,1 熱力學(xué)條件 （2）熱力學(xué)條件 Gv=LmT/Tm a T0, Gv0過冷是結(jié)晶的必要 條件（之一）。 b T越大, Gv越小過冷度越大， 越有利于結(jié)晶。 c Gv的絕對(duì)值為凝固過程的驅(qū)動(dòng)力。,9,第二節(jié) 材料結(jié)晶的基本條件,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,2 結(jié)構(gòu)條件 （1）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型 微晶無序模型 拓?fù)錈o序模型 （2）結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán) 的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。,出現(xiàn)幾率,結(jié)構(gòu)起伏大小,10,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積內(nèi)無軌則均勻形成。 非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。 1 均勻形核 （1）晶胚形成時(shí)的能量變化 GVGv+S (4/3)r3Gv+4r2,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,11,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,1 均勻形核 (2) 臨界晶核 dG/dr=0 rk=-2/Gv 臨界晶核：半徑為rk的晶胚。 (3) 臨界過冷度 rk=-2Tm/LmT 臨界過冷度：形成臨界晶核時(shí)的過冷度。Tk. TTk是結(jié)晶的必要條件。,12,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,1 均勻形核 （4）形核功與能量起伏 GkSk/3 臨界形核功：形成臨界晶核時(shí)需額外對(duì)形核所做的功。 能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏 離平均能量水平而高低不 一的現(xiàn)象。 （是結(jié)晶的必要條件之三）。,13,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,1 均勻形核 （5）形核率與過冷度的關(guān)系 N=N1(GK) . N2( GA) 由于N受N1(形核）. N2（擴(kuò)散）兩個(gè)因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。,14,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,2 非均勻形核 （1）模型：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。 （2）自由能變化：表達(dá)式與均勻形核類似。,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,15,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,2 非均勻形核 （3）臨界形核功 計(jì)算時(shí)利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合平衡關(guān)系 lw=sw+slcos 計(jì)算能量變化和臨界形核功。 Gk非/Gk=(2-3cos+cos3)/4 a =0時(shí)，Gk非0，雜質(zhì)本身即為晶核； b 1800時(shí), Gk非Gk, 雜質(zhì)促進(jìn)形核； c=180時(shí)，Gk非Gk， 雜質(zhì)不起作用。,16,第三節(jié) 晶核的形成,第 三 章 第 二 節(jié) 結(jié) 晶 條件,2 非均勻形核 （4）影響非均勻形核的因素 a 過冷度：（N-T曲線有一下降過程）。 b 外來物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：越小越有利。點(diǎn)陣匹配原理：結(jié)構(gòu)相似， 點(diǎn)陣常數(shù)相近。 c 外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖317）,2h,17,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,1 晶核長大的條件 （1）動(dòng)態(tài)過冷 動(dòng)態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。 （是材料凝固的必要條件） （2）足夠的溫度 （3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu),18,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,2 液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制 粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整金屬或合金材料的界面）：垂直長大。 光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙無機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。,19,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,2 液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制 粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整金屬或合金材料的界面）： 垂直長大。 光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙無機(jī)化合物或亞金屬材料的界 面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。,20,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài) （1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高） 粗糙界面：平面狀。 光滑界面：臺(tái)階狀（小平面狀）。,21,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài) （1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高）,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,22,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài) （2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低） 粗糙界面：樹枝狀。 光滑界面：樹枝狀多面體臺(tái)階狀。,23,第四節(jié) 晶核的長大,第 三 章 第 四 節(jié) 晶核長大,3 液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài) （2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低）,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,24,第五節(jié) 高分子材料的結(jié)晶,第 三 章 第 五 節(jié) 高 分 子 結(jié)晶,特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢 一 與低分子結(jié)晶的相似性 1 結(jié)晶速度和晶粒尺寸受過冷度的影響 隨過冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸減小。 2 結(jié)晶過程：形核與長大 均勻形核：高分子鏈靠熱運(yùn)動(dòng)組成有序排列形成晶核。 非均勻形核：以殘余結(jié)晶高分子、分散顆粒、容器壁 為中心形核。 3 非均勻形核所需過冷度小。,25,第五節(jié) 高分子材料的結(jié)晶,第 三 章 第 五 節(jié) 高 分 子 結(jié)晶,特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢 二 與低分子結(jié)晶的差異性 結(jié)晶的不完全性。一般50%，最高約95%。 （1）鏈的對(duì)稱性。對(duì)稱性越高，越容易結(jié)晶。 （2）鏈的規(guī)整性。規(guī)則的構(gòu)型，有利于結(jié)晶， 有利于共聚結(jié)晶。 （3）鏈的柔順性。柔順性越好，結(jié)晶能力越強(qiáng)。 （4）共聚效應(yīng)。,26,第六節(jié) 凝固理論的應(yīng)用,第 三 章 第 六 節(jié) 凝固的應(yīng)用,1 材料鑄態(tài)晶粒度的控制 Zv=0.9(N/G)3/4 （1）提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導(dǎo)熱能力， 適用于小件。 （2）化學(xué)變質(zhì)處理。促進(jìn)異質(zhì)形核，阻礙晶粒長大。 （3）振動(dòng)和攪拌。輸入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。,27,第六節(jié) 凝固理論的應(yīng)用,第 三 章 第 六 節(jié) 凝固的應(yīng)用,2 單晶體的制備 （1）基本原理：保證一個(gè)晶核形成并長大。 （2）制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.,28,第六節(jié) 凝固理論的應(yīng)用,第 三 章 第 六 節(jié) 凝固的應(yīng)用,3 定向凝固技術(shù) （1）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。 （2）制備方法。,29,第六節(jié) 凝固理論的應(yīng)用,第 三 章 第 六 節(jié) 凝固的應(yīng)用,4 急冷凝固技術(shù) （1）非晶金屬與合金 （2）微晶合金。 （3）準(zhǔn)晶合金。,4h,30,第一章,第三節(jié)原子不規(guī)則排列,本章小結(jié)與習(xí)題討論課,1 試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能