第2章 材料凝固理論1

1、1 熔化熔化 2 l單晶生長理論及技術關系到半導體工業(yè)中大規(guī)模集成 電路的規(guī)模和效益 l凝固界面理論關系到人工制備復合材料技術的關鍵 l快速凝固理論關系到金屬激光表面重熔和上釉的成敗 l凝固的一般理論關系到鑄件質量和成本優(yōu)劣 3 鑄造過程示意圖鑄造過程示意圖 圖3圖4 圖5 圖2圖1 法蘭管 上砂箱 下砂箱 砂箱壁 型砂型芯 木模 4 砂型鑄造合箱后的示意圖砂型鑄造合箱后的示意圖 冒口 澆注系統(tǒng) 直澆道 型腔 型芯 芯頭 上箱 下箱 上箱壁 下箱壁 砂箱定位銷 分型面 鑄件 型芯 直澆道 澆口杯拔模斜度 芯頭 型砂 內澆口 橫澆道 濕砂模橫截面示意 5 澆注過程及鑄件澆注過程及鑄件 6 造型及

2、澆注過程造型及澆注過程 7 砂型視圖砂型視圖 8 芯盒、型芯、木模和鑄件芯盒、型芯、木模和鑄件 9 l凝固：物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程。凝固：物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程。 l 若凝固后的物質為晶體，則稱之若凝固后的物質為晶體，則稱之 l 為結晶。為結晶。 l凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能 和壽命。和壽命。 l凝固是相變過程，可為其它相變的研究凝固是相變過程，可為其它相變的研究 提供基礎。提供基礎。 10 凝固成形工藝是完成凝固成形的關鍵，影響成形工藝的 參數(shù)主要可以從以下幾方面進行分析： 金屬性質：金屬性質：成分、凝固特點、密度、比熱、導熱系數(shù)、凝 固潛熱

3、、粘度、表面張力等 鑄型性質：鑄型性質：激冷能力、密度、比熱、導熱系數(shù)、溫度、強 度、透氣性等 澆注條件：澆注條件：澆注溫度、速度、靜壓頭、外力場的影響等 零件結構：零件結構：鑄件模數(shù)、復雜程度等 11 第 二 章 第 一 節(jié) 結 晶 規(guī) 律 1 液態(tài)材料的結構液態(tài)材料的結構 結構：長程無序而短程有序。結構：長程無序而短程有序。 特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較特點（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。小、原子排列較混亂。 12 第 二 章 第 一 節(jié) 結 晶 規(guī) 律 2 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 supercoolingsupercooling （1）過冷：液

4、態(tài)材料在理論結晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。）過冷：液態(tài)材料在理論結晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。 （2）過冷度：液體材料的理論結晶溫度）過冷度：液體材料的理論結晶溫度(Tm) 與其實際溫度之差。與其實際溫度之差。 T=Tm-T (見冷卻曲線見冷卻曲線) 注注: 過冷是凝固的必要條件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行凝固過程總是在一定的過冷度下進行)。 13 第 二 章 第 一 節(jié) 結 晶 規(guī) 律 3 結晶過程結晶過程 （1）結晶的基本過程：）結晶的基本過程：形核長大形核長大。（見示意圖）。（見示意圖） （2）描述結晶進程的兩個參數(shù)）描述結晶進程的兩個參數(shù) 形核率形核率：單位

5、時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。表示。 長大速度長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間 內遷移的距離。用內遷移的距離。用G表示。表示。 14 一、狀態(tài)函數(shù) 與過程變化無關的熱力學函數(shù)。 1 2 3 p1，V1 p2，V2 0 p V 氣體壓強和體積關系 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 15 內能（內能（U）：）：物質體系內部所有質點的動能和勢能 之和 焓（焓（H）：）：體系等壓過程熱量的變化 熵（熵（S）：）：體系熱量與溫度的商值，是體系無序程 度的量度

6、Gibbs自由能（自由能（G）：）：體系恒溫等壓下的一種能量 Helmholtz自由能（自由能（F）：）：體系恒溫定容下的一種 能量 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 16 二、狀態(tài)函數(shù)間的關系 H=UpV G=HTS (或dG=dHTdS) F=UTS (或dF=dUTdS) G=pVF 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 17 三、自發(fā)過程及其判據(jù) 氣體A氣體B 自發(fā)混合 A，B 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 18 高溫物體低溫物體 兩個物體最后溫度相等 三、自發(fā)過程及其判據(jù) 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 19 Helmholtz自由能最低原理

7、 FT， ，V 0 等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過程等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過程 的方向力圖降低體系的自由能；平衡的標志是體系的自的方向力圖降低體系的自由能；平衡的標志是體系的自 由能為極小。由能為極小。 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 20 Gibbs自由能判據(jù) GT， ，p 0 等溫等壓條件下，一個只作體積功的體系，其等溫等壓條件下，一個只作體積功的體系，其 Gibbs自由能永不增大；自發(fā)過程的方向力圖降低體系自由能永不增大；自發(fā)過程的方向力圖降低體系 的的Gibbs自由能；當自由能；當Gibbs自由能降到極小時，體系達自由能降到極小時，體系達 到平

8、衡。到平衡。 第 二 章 第 二 節(jié) 熱 力 學 基 礎 21 0T G T G Tm GSGL 分析：TTm, T=Tm, TB 當當r較大時，較大時， CD 2-3 2-3 形核形核 25 原子半徑與Gibbs自由能的關系 2-3 2-3 形核形核 Gibbs 26 臨界形核功相當于表面能的臨界形核功相當于表面能的1/31/3， 這意味著固、液之間自由能差只能供給這意味著固、液之間自由能差只能供給 形成臨界晶核所需表面能的形成臨界晶核所需表面能的2/32/3，其余，其余 1/31/3的能量靠能量起伏來補足。的能量靠能量起伏來補足。 2-3 2-3 形核形核 27 二、非自發(fā)形核二、非自發(fā)形

9、核 楊氏方程：楊氏方程： 2-3 2-3 形核形核 LS CSLC LSCSLC cos cos LS CSLC LSCSLC cos cos 28 f（ ）是幾何因子，僅與幾何參量有關。是幾何因子，僅與幾何參量有關。 一般一般0 180 ， ，故故0 f（ ） 1。 2-3 2-3 形核形核 )coscos32( 4 1 )( ),( 3 * f fGG hohe 其中 4 coscos32 )( 3 f式中： 29 =0000 1800 =1800 2-3 2-3 形核形核 形核不起作用。形核不起作用。 非自發(fā)非自發(fā)時：時：當當 即可形核。即可形核。 無過冷下無過冷下時：時：當當 ,180

10、 , 00 *0 *0 hohe he GG G 形核不起作用。形核不起作用。 非自發(fā)非自發(fā)時：時：當當 即可形核。即可形核。 無過冷下無過冷下時：時：當當 ,180 , 00 *0 *0 hohe he GG G 30 三、形核劑：三、形核劑： 能作為形核劑的條件有四點。能作為形核劑的條件有四點。 1. 失配度小失配度小 2-3 2-3 形核形核 式中 ： 晶格點陣適配度 aC 夾雜的原子間距 aN 晶核的原子間距 31 2. 粗糙度值大粗糙度值大 3. 分散性好分散性好 4. 高溫穩(wěn)定性好高溫穩(wěn)定性好 2-3 2-3 形核形核 不同曲面襯底上形核示意 32 第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核

11、長 大 1 晶核長大的條件晶核長大的條件 （1）動態(tài)過冷）動態(tài)過冷 動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。動態(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）（是材料凝固的必要條件） （2）足夠的溫度）足夠的溫度 （3）合適的晶核表面結構）合適的晶核表面結構 33 一、固液界面結構 粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝； 大部分金屬屬于此類 光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體； 非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類 第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核 長 大 34 （a）粗糙界面 （b）光滑界面 界面在原子尺度上的差別 10 m 0.5 nm

12、第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核 長 大 35 （a）粗糙界面 （b）光滑界面 界面的宏觀形態(tài) 10 m 第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核 長 大 36 簡單立方晶體的長大過程示意 二、晶體的生長方式 222 451aaaGi：位置 222 2242aaaGi：位置 0333 22 aaGi：位置 222 2424aaaGi：位置 222 455aaaGi：位置 37 側向生長側向生長 光滑界面光滑界面 連續(xù)生長連續(xù)生長 粗糙界面粗糙界面 晶體的生長方式晶體的生長方式 二維晶核臺階二維晶核臺階 晶核中的缺陷晶核中的缺陷 螺型位錯螺型位錯 孿晶溝槽孿晶溝槽 旋轉晶界旋轉晶界 第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核 長 大 38 0 連續(xù)生長時晶體生長速度與動力學過冷度的關系連續(xù)生長時晶體生長速度與動力學過冷度的關系 第 二 章 第 四 節(jié) 晶 核 長 大 39 0 依靠二維晶核臺階生長時依靠二維晶核臺階生長時R R與與 T