純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1純金屬純金屬(jnsh)的結(jié)晶的結(jié)晶第一頁，共61頁。一、結(jié)晶(jijng)過程的宏觀現(xiàn)象第1頁/共60頁第二頁，共61頁。圖2-1 熱分析裝置示意圖1電源(dinyun) 2熱電偶 3坩堝 4金屬5冰水（0） 6恒溫器 7電爐第2頁/共60頁第三頁，共61頁。圖2-2 純金屬結(jié)晶時的冷卻(lngqu)曲線示意圖第3頁/共60頁第四頁，共61頁。二、金屬結(jié)晶的微觀(wigun)過程圖2-3 純金屬(jnsh)結(jié)晶過程示意圖第4頁/共60頁第五頁，共61頁。第5頁/共60頁第六頁，共61頁。第6頁/共60頁第七頁，共61頁。第7頁/共60頁第八頁，共61頁。第8頁/共60頁第九頁，共61

2、頁。圖2-6 液體a)、晶體(jngt)b)和液體中的 相起伏c)示意圖第9頁/共60頁第十頁，共61頁。第10頁/共60頁第十一頁，共61頁。第11頁/共60頁第十二頁，共61頁。第12頁/共60頁第十三頁，共61頁。第13頁/共60頁第十四頁，共61頁。一、均 勻 形 核第14頁/共60頁第十五頁，共61頁。圖2-9 晶粒半徑(bnjng)與G的關(guān)系（一）形核時的能量(nngling)變化和臨界晶核半徑第15頁/共60頁第十六頁，共61頁。32v +4G=rG4r 3 由于上式第一項即體積自由能隨r的立方(lfng)而減小，而第二項即表面能隨r的平方而增加，所以當(dāng)r 增大時，體積自由能的減

3、小比表面能增加得快。但在開始時，表面能項占優(yōu)勢，當(dāng)r 增加到某一臨界尺寸后，體積自由能的減小將占優(yōu)勢。于是在G與r 的關(guān)系曲線上出現(xiàn)了一個極大值GK，與之相對應(yīng)的r 值為rK。（一）形核時的能量變化(binhu)和臨界晶核半徑第16頁/共60頁第十七頁，共61頁。 由圖可知，當(dāng)rrK時，隨著晶胚尺寸r 的增大(zn d)，則系統(tǒng)的自由能增加，顯然這個過程不能自動進行，這種晶胚不能成為穩(wěn)定的晶核，而是瞬時形成，又瞬時消失。但當(dāng)rrK時，則隨著晶胚尺寸的增大(zn d)，伴隨著系統(tǒng)自由能的降低，這一過程可以自動進行，晶胚可以自發(fā)地長大成穩(wěn)定的晶核，因此它將不再消失。當(dāng)r=rK時，這種晶胚既可能消失

4、，也可能長大成為穩(wěn)定的晶核，因此把半徑為rK的晶胚稱為臨界晶核，rK稱為臨界晶核半徑。（一）形核時的能量(nngling)變化和臨界晶核半徑第17頁/共60頁第十八頁，共61頁。 由式可見，形成臨界晶核時自由能的變化為正值，且恰好等于臨界晶核表面能的13。這表明，形成臨界晶核時，體積自由能的下降只補償了表面能的23，還有13的表面能沒有得到補償，需要另外供給(gngj)，即需要對形核做功，故稱GK為形核功。這一形核功是過冷液體形核時的主要障礙，過冷液體需要一段孕育期才開始結(jié)晶的原因正在于此。（二）形核功kkk114S2G =r =33第18頁/共60頁第十九頁，共61頁。 形核率是指在單位時間

5、單位體積液相中形成的晶核數(shù)目，以N表示，單位為cm3s-1。形核率對于實際生產(chǎn)十分(shfn)重要，形核率高意味著單位體積內(nèi)的晶核數(shù)目多，結(jié)晶結(jié)束后可以獲得細小晶粒的金屬材料。這種金屬材料不但強度高，塑性、韌性也好。 （三）形核率第19頁/共60頁第二十頁，共61頁。 形核率受兩個方面因素的控制(kngzh):一方面是隨著過冷度的增加，臨界晶核半徑和形核功都隨之減小，結(jié)果使晶核易于形成，形核率增加；另一方面，無論是臨界晶核的形成，還是臨界晶核的長大，都必須伴隨著液態(tài)原子向晶核的擴散遷移，沒有液態(tài)原子向晶核上的遷移，臨界晶核就不可能形成，即使形成了也不可能長大成為穩(wěn)定晶核。（三）形核率第20頁/

6、共60頁第二十一頁，共61頁。二、非均勻(jnyn)形核第21頁/共60頁第二十二頁，共61頁。（一）臨界(ln ji)晶核半徑和形核功圖2-14 非均勻形核示意圖第22頁/共60頁第二十三頁，共61頁。 按照均勻形核求臨界(ln ji)晶核半徑和形核功的方法，即可求出非均勻形核的臨界(ln ji)晶核半徑r 和形核功G 。（一）臨界(ln ji)晶核半徑和形核功KKLLmkvf22 = TrGHT-23k =kL12 3coscos(4 )()34Gr-第23頁/共60頁第二十四頁，共61頁。 1過冷度的影響 由于非均勻形核所需的形核功G 很小，因此在較小的過冷度條件(tiojin)下，當(dāng)均

7、勻形核還微不足道時，非均勻形核就明顯開始了。圖2-16為均勻形核與非均勻形核的形核率隨過冷度變化的比較。（二）形核率K 圖2-16 非均勻形核率 （1）與均勻形核率 （2）隨過冷度而變化(binhu)的比較第24頁/共60頁第二十五頁，共61頁。 2固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 非均勻形核的形核功與接觸角有關(guān)(yugun)，角越小，形核功越小，形核率越高。角的大小取決于液體、晶核及固態(tài)雜質(zhì)三者之間表面能的相對大小。也就是說，固態(tài)質(zhì)點與晶核的表面能越小，它對形核的催化效應(yīng)就越高。很明顯，晶核與固態(tài)雜質(zhì)之間的表面能取決于晶核（晶體）與固態(tài)雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子排列的幾何形狀、原子的大小、原子間的距離等）上的相似程

8、度。（二）形核率第25頁/共60頁第二十六頁，共61頁。 兩個相互接觸的晶面結(jié)構(gòu)越近似，它們(t men)之間的表面能就越小，即使只在接觸面的某一個方向上的原子排列配合得比較好，也會使表面能降低一些。這樣的條件（結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)）稱為點陣匹配原理，凡滿足這個條件的界面，就可能對形核起到催化作用，它本身就是良好的形核劑，或稱為活性質(zhì)點。（二）形核率第26頁/共60頁第二十七頁，共61頁。 3固體雜質(zhì)形貌的影響 固體雜質(zhì)表面的形狀各種各樣，有的呈凸曲面，有的呈凹曲面，還有的為深孔，這些基面具有不同的形核率。例如有三個不同形狀的固體雜質(zhì)，如圖2-18所示，形成(xngchng)三個晶核，它們具有相

9、同的曲率半徑r和相同的角，但三個晶核的體積卻不一樣。（二）形核率圖2-18 不同(b tn)形狀的固體雜質(zhì)表面形核的晶核體積第27頁/共60頁第二十八頁，共61頁。 由此可見，在曲率半徑、接觸角相同的情況下，晶核體積隨界面曲率的不同(b tn)而改變。凹曲面的形核效能最高，因為較小體積的晶胚便可達到臨界晶核半徑，平面居中，凸曲面的效能最低。因此，對于相同的固體雜質(zhì)顆粒，若其表面曲率不同(b tn)，它的催化作用也不同(b tn)，在凹曲面上形核所需過冷度比在平面、凸面上形核所需過冷度都要小。鑄型壁上的深孔或裂紋是屬于凹曲面情況，在結(jié)晶時，這些地方有可能成為促進形核的有效界面。（二）形核率第28

10、頁/共60頁第二十九頁，共61頁。 4過熱度的影響 過熱度是指液態(tài)金屬溫度與金屬熔點之差。液態(tài)金屬的過熱度對非均勻形核有很大的影響。當(dāng)過熱度不大時，可能不使現(xiàn)成質(zhì)點的表面狀態(tài)有所改變(gibin)，這對非均勻形核沒有影響。當(dāng)過熱度較大時，有些質(zhì)點的表面狀態(tài)改變(gibin)了，如質(zhì)點內(nèi)微裂縫及小孔減少，凹曲面變?yōu)槠矫?，使非均勻形核的核心?shù)目減少。當(dāng)過熱度很大時，將使固態(tài)雜質(zhì)質(zhì)點全部熔化，這就使非均勻形核轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛐魏?，形核率大大降低。（二）形核率?9頁/共60頁第三十頁，共61頁。 5其他影響因素 非均勻形核的形核率除受以上因素影響外，還受其他一系列物理因素的影響，例如在液態(tài)金屬凝固過程中進

11、行振動或攪動，一方面可使正在長大的晶體碎裂成幾個結(jié)晶(jijng)核心，另一方面又可使受振動的液態(tài)金屬中的晶核提前形成。用振動或攪動提高形核率的方法，已被大量試驗結(jié)果所證明。（二）形核率第30頁/共60頁第三十一頁，共61頁。 綜上所述，金屬的結(jié)晶形核有以下要點： 1）液態(tài)金屬的結(jié)晶必須在過冷的液體(yt)中進行，液態(tài)金屬的過冷度必須大于臨界過冷度，晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑rK。 2）rK值大小與晶核的表面能成正比，與過冷度成反比。 3）均勻形核既需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏，二者皆是液體(yt)本身存在的自然現(xiàn)象。 4）晶核的形成過程是原子的擴散遷移過程，因此結(jié)晶必須在一定的溫度下進行。

12、 5）在工業(yè)生產(chǎn)中，液體(yt)金屬的凝固總是以非均勻形核方式進行。（二）形核率第31頁/共60頁第三十二頁，共61頁。一、固液界面(jimin)的微觀結(jié)構(gòu)圖2-19 固液界面(jimin)的微觀結(jié)構(gòu)第32頁/共60頁第三十三頁，共61頁。（二）粗糙(cco)界面圖2-19 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)第33頁/共60頁第三十四頁，共61頁。二、晶體(jngt)長大機制圖2-21 二維晶核長大(chn d)機制第34頁/共60頁第三十五頁，共61頁。（二）螺型位錯長大(chn d)機制圖2-22 螺型位錯露頭第35頁/共60頁第三十六頁，共61頁。（三）連續(xù)長大(chn d)機制第36頁/共60頁第三十

13、七頁，共61頁。三、固液界面(jimin)前沿液體中的溫度梯度（二）負溫度梯度（一）正溫度梯度 圖2-25 兩種溫度(wnd)分布方式a）正溫度(wnd)梯度 b）負溫度(wnd)梯度第37頁/共60頁第三十八頁，共61頁。四、晶體生長的界面形狀(xngzhun)晶體形態(tài)（一）在正的溫度梯度下生長(shngzhng)的界面形態(tài)圖2-26 在正的溫度梯度下，純金屬 凝固時的兩種界面形態(tài) a）光滑界面 b）粗糙界面第38頁/共60頁第三十九頁，共61頁。（二）在負的溫度梯度下生長(shngzhng)的界面形態(tài)圖2-28 樹枝狀晶體生長示意圖第39頁/共60頁第四十頁，共61頁。五、長 大 速 度第

14、40頁/共60頁第四十一頁，共61頁。圖2-32 晶體的長大(chn d)速度G與過冷度T的關(guān)系 a）非金屬 b）金屬第41頁/共60頁第四十二頁，共61頁。六、晶粒大小的控制(kngzh)第42頁/共60頁第四十三頁，共61頁。1控制(kngzh)過冷度圖2-33 金屬結(jié)晶時形核率和長 大速度與過冷度的關(guān)系第43頁/共60頁第四十四頁，共61頁。2變質(zhì)處理第44頁/共60頁第四十五頁，共61頁。3振動(zhndng)、攪動第45頁/共60頁第四十六頁，共61頁。一、固液界面(jimin)的微觀結(jié)構(gòu)圖2-34 鑄錠組織示意圖1細晶區(qū) 2柱狀晶區(qū) 3等軸晶區(qū)第46頁/共60頁第四十七頁，共61頁。（一）表層(biocng)細晶區(qū)第47頁/共60頁第四十八頁，共61頁。（二）柱狀晶區(qū)第48頁/共60頁第四十九頁，共61頁。（三）中心(zhngxn)等軸晶區(qū)第49頁/共60頁第五十頁，共61頁。二、鑄錠組織(zzh)的控制第50頁/共60頁第五十一頁，共61頁。2澆注(jio zh)溫度與澆注(jio zh)速度圖2-37 柱狀晶的長度與澆注溫度的關(guān)系第51頁/共60頁第五十二頁，共61頁。3熔化(rnghu)溫度第52頁/共60頁第五十三頁，共61頁。三、鑄錠缺陷(quxin)第53頁/共60頁第五十四