第六章單元組相圖及純晶體的凝固(h)

1、2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒1第六章第六章 單元組相圖單元組相圖及純晶體的凝固及純晶體的凝固 2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒2本章要求掌握的內(nèi)容本章要求掌握的內(nèi)容應(yīng)掌握的內(nèi)容應(yīng)掌握的內(nèi)容: : 1. 1.純金屬凝固的過(guò)程和現(xiàn)象純金屬凝固的過(guò)程和現(xiàn)象 2.2.結(jié)晶的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量和結(jié)構(gòu)條件結(jié)晶的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量和結(jié)構(gòu)條件 3.3.過(guò)冷度對(duì)結(jié)晶過(guò)程和結(jié)晶組織的影響；過(guò)冷度、過(guò)冷度對(duì)結(jié)晶過(guò)程和結(jié)晶組織的影響；過(guò)冷度、臨界過(guò)冷度、有效過(guò)冷度、動(dòng)態(tài)過(guò)冷度之間的區(qū)別。臨界過(guò)冷度、有效過(guò)冷度、動(dòng)態(tài)過(guò)冷度之間的區(qū)別。 4.4.幾個(gè)重要概念：過(guò)冷度，臨界晶核半徑，臨界形幾

2、個(gè)重要概念：過(guò)冷度，臨界晶核半徑，臨界形核功，形核率，均勻形核，非均勻形核。核功，形核率，均勻形核，非均勻形核。 5.5.液液固界面的結(jié)構(gòu)及溫度梯度，晶體生長(zhǎng)形態(tài)固界面的結(jié)構(gòu)及溫度梯度，晶體生長(zhǎng)形態(tài) 、生長(zhǎng)條件和長(zhǎng)大機(jī)制。生長(zhǎng)條件和長(zhǎng)大機(jī)制。了解：了解： 1.1.凝固理論的主要應(yīng)用凝固理論的主要應(yīng)用 2.2.控制結(jié)晶組織的措施控制結(jié)晶組織的措施2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒3概概 述（基本概念）述（基本概念） 單組元晶體單組元晶體( (純晶體純晶體) )：由一種化合物或金：由一種化合物或金屬組成的晶體。該體系稱(chēng)為屬組成的晶體。該體系稱(chēng)為單元系（單元系（one one compon

3、ent systemcomponent system）。 從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程稱(chēng)為從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過(guò)程稱(chēng)為相變相變（phase transformationphase transformation）。若轉(zhuǎn)變前后均為。若轉(zhuǎn)變前后均為固相，則成為固相，則成為固態(tài)相變（固態(tài)相變（solid phase solid phase transformationtransformation ）。 從 液 相 轉(zhuǎn) 變 為 固 相 的 過(guò) 程 稱(chēng) 為從 液 相 轉(zhuǎn) 變 為 固 相 的 過(guò) 程 稱(chēng) 為 凝 固凝 固(solidification)(solidification)。若凝固后的產(chǎn)物為晶

4、體稱(chēng)。若凝固后的產(chǎn)物為晶體稱(chēng)為為結(jié)晶結(jié)晶(crystallization)(crystallization)。 金屬轉(zhuǎn)變過(guò)程為：汽態(tài)金屬轉(zhuǎn)變過(guò)程為：汽態(tài)液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài) 2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒4 組元（組元（componentcomponent）：組成合金的最基本、獨(dú)立：組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)?？梢允菃我辉氐奈镔|(zhì)?？梢允菃我辉? (如如FeFe、MgMg等等) )也可以是穩(wěn)也可以是穩(wěn)定的化合物（如定的化合物（如FeFe3 3C C）。）。 相圖相圖(phase diagram)(phase diagram)：表示合金系中合金的狀：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成

5、分之間的關(guān)系的圖形，又稱(chēng)為平衡圖態(tài)與溫度、成分之間的關(guān)系的圖形，又稱(chēng)為平衡圖或狀態(tài)圖。或狀態(tài)圖。 單組元相圖單組元相圖(single phase diagram)(single phase diagram)是表示在熱是表示在熱力學(xué)平衡條件下所存在的相與溫度，壓力之間的對(duì)力學(xué)平衡條件下所存在的相與溫度，壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖形應(yīng)關(guān)系的圖形。 合金系（合金系（alloy systemalloy system）：由給定的組元可以以：由給定的組元可以以不同比例配制成一系列成分不同的合金，這一系列不同比例配制成一系列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)。二（合金就構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)。二（ 三、多

6、）元系。三、多）元系。 相（相（phasephase）：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面分開(kāi)的組成部分。單（雙、多）相合金一并以界面分開(kāi)的組成部分。單（雙、多）相合金2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒56.1 6.1 單元系相變單元系相變的熱力學(xué)及相平衡的熱力學(xué)及相平衡2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒66.1.1 6.1.1 相平衡條件和相律相平衡條件和相律 1. 1. 相平衡的條件相平衡的條件 通過(guò)一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)和系統(tǒng)平衡條件通過(guò)一些數(shù)學(xué)推導(dǎo)和系統(tǒng)平衡條件dGdG=0=0可得：處于平衡狀態(tài)下的多相可得：處于平衡狀態(tài)下的多相(P(P個(gè)個(gè)相

7、相) )體系中，每個(gè)組元體系中，每個(gè)組元( (共有共有C C個(gè)組元個(gè)組元) )在在各項(xiàng)中的各項(xiàng)中的化學(xué)勢(shì)（化學(xué)勢(shì)（chemical potentialchemical potential）都彼此相等。都彼此相等。 相平衡相平衡(phase equilibrium)(phase equilibrium)是一種動(dòng)是一種動(dòng)態(tài)平衡。態(tài)平衡。 2021年12月14日星期二4時(shí)58分39秒72.2.相律相律 相律相律(phase rule)(phase rule)是表示在平衡條件下，系統(tǒng)是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系，是系統(tǒng)的平衡條件的

8、數(shù)學(xué)表達(dá)式。的平衡條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 相律數(shù)學(xué)表達(dá)式：相律數(shù)學(xué)表達(dá)式：f=c-p+2f=c-p+2 式中式中 p p平衡相數(shù)平衡相數(shù) c c體系的組元數(shù)體系的組元數(shù) f f體系自由度（體系自由度（degrees ofdegrees of freedom freedom）數(shù)數(shù) 2 2溫度和壓力溫度和壓力 自由度數(shù)自由度數(shù)f f：是指在保持合金系平衡相的數(shù)目：是指在保持合金系平衡相的數(shù)目不變的條件下，合金系中可以獨(dú)立改變的、影響不變的條件下，合金系中可以獨(dú)立改變的、影響合金的內(nèi)部及外部因素。合金的內(nèi)部及外部因素。 在恒壓下，相律表達(dá)式：在恒壓下，相律表達(dá)式：f=cf=cp p1 12021年12月

9、14日星期二4時(shí)58分39秒83. 3. 相律的應(yīng)用相律的應(yīng)用A A 合金狀態(tài)，成分、溫度、壓力、二元系、三元系合金狀態(tài)，成分、溫度、壓力、二元系、三元系 利用它可以確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)利用它可以確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù) 例：?jiǎn)卧?，因例：?jiǎn)卧?，因f f 00，故，故P1-0+1=2P1-0+1=2，平衡相最大為二個(gè)。，平衡相最大為二個(gè)。 注意：這并不是說(shuō)，單元系中能夠出現(xiàn)的相數(shù)不能超過(guò)二注意：這并不是說(shuō)，單元系中能夠出現(xiàn)的相數(shù)不能超過(guò)二個(gè)，而是說(shuō)，某一固定個(gè)，而是說(shuō)，某一固定T T下，單元系中不同的相只能有兩個(gè)同時(shí)下，單元系中不同的相只能有兩個(gè)同時(shí)存在，而其它相則在別的

10、條件下存在。存在，而其它相則在別的條件下存在。 利用它可解釋純金屬與二元合金結(jié)晶時(shí)的差別。利用它可解釋純金屬與二元合金結(jié)晶時(shí)的差別。 純金屬結(jié)晶，液固共存，純金屬結(jié)晶，液固共存，f f=0=0，說(shuō)明結(jié)晶為恒溫。，說(shuō)明結(jié)晶為恒溫。 二元系金屬結(jié)晶兩相平衡，二元系金屬結(jié)晶兩相平衡，f f=2=22+1=12+1=1，說(shuō)明有一個(gè)可變因，說(shuō)明有一個(gè)可變因素（素（T T），表明它在一定（），表明它在一定（T T）范圍內(nèi)結(jié)晶。）范圍內(nèi)結(jié)晶。 二元系三相平衡，二元系三相平衡，f f=2=23+1=03+1=0，此時(shí)溫度恒定，成分不變，此時(shí)溫度恒定，成分不變，各因素恒定。各因素恒定。 2021年12月14日星

11、期二4時(shí)58分39秒93. 3. 相律的應(yīng)用相律的應(yīng)用B B 相律是檢驗(yàn)、分析和使用相圖的重要工具。利相律是檢驗(yàn)、分析和使用相圖的重要工具。利用它可以分析和確定系統(tǒng)中可能存在的相數(shù)，檢用它可以分析和確定系統(tǒng)中可能存在的相數(shù)，檢驗(yàn)和研究相圖。驗(yàn)和研究相圖。 注意使用相律有一些限制：注意使用相律有一些限制： （1 1）只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，各相溫度相等）只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，各相溫度相等（熱量平衡）、各相壓力相等（機(jī)械平衡）、各（熱量平衡）、各相壓力相等（機(jī)械平衡）、各相化學(xué)勢(shì)相等（化學(xué)平衡）。相化學(xué)勢(shì)相等（化學(xué)平衡）。 （2 2）只表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組）只表示體系中組元和相的

12、數(shù)目，不能指明組元和相的類(lèi)型和含量。元和相的類(lèi)型和含量。 （3 3）不能預(yù)告反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（即反應(yīng)速度問(wèn)題）。）不能預(yù)告反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（即反應(yīng)速度問(wèn)題）。 （4 4）f f0 0 2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒106.1.2 6.1.2 單元系相圖單元系相圖 單元系相圖指：?jiǎn)卧迪鄨D指：?jiǎn)谓M元相圖單組元相圖(single phase diagram)(single phase diagram)是表示在熱是表示在熱力學(xué)平衡條件下所存在的相與溫度，壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖形力學(xué)平衡條件下所存在的相與溫度，壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖形. 單元系相圖分析單元系相圖分析 1.1.水的單元相圖分析（圖水的

13、單元相圖分析（圖6.16.1）：點(diǎn)，線，相區(qū)的分析）：點(diǎn)，線，相區(qū)的分析 點(diǎn)的分析：點(diǎn)的分析：O O1 1點(diǎn)是氣、水、冰三相平衡點(diǎn)。根據(jù)相律點(diǎn)是氣、水、冰三相平衡點(diǎn)。根據(jù)相律f=C-P+2f=C-P+2可知，可知，f=1-3+2=0f=1-3+2=0，即在，即在O O1 1點(diǎn)，三相共存時(shí)，溫度和壓力都不能點(diǎn)，三相共存時(shí)，溫度和壓力都不能變變. . 線的分析：線的分析：O O1 1C C線水和蒸氣共存的曲線；線水和蒸氣共存的曲線；O O1 1A A線冰和水共存的曲線冰和水共存的曲線；線；O O1 1B B冰和水氣共存的曲線。根據(jù)相律冰和水氣共存的曲線。根據(jù)相律f=C-P+2f=C-P+2可知，可

14、知，f=1-f=1-2+2=12+2=1，即在，即在O O1 1A A、 O O1 1B B和和O O1 1C C線上，兩相共存時(shí)，溫度和壓力兩個(gè)線上，兩相共存時(shí)，溫度和壓力兩個(gè)參數(shù)只能有一個(gè)可以獨(dú)立變化，且按相應(yīng)曲線變化參數(shù)只能有一個(gè)可以獨(dú)立變化，且按相應(yīng)曲線變化. . 相區(qū)的分析：相區(qū)的分析：三個(gè)單相區(qū)分別是水區(qū)、冰區(qū)和水氣區(qū)，在每三個(gè)單相區(qū)分別是水區(qū)、冰區(qū)和水氣區(qū)，在每個(gè)相區(qū)內(nèi)，其自由度為：個(gè)相區(qū)內(nèi)，其自由度為： f=C-P+2=1-1+2=2f=C-P+2=1-1+2=2，說(shuō)明在這三個(gè)相區(qū)，說(shuō)明在這三個(gè)相區(qū)內(nèi)，溫度和壓力的變化不會(huì)產(chǎn)生新相。內(nèi)，溫度和壓力的變化不會(huì)產(chǎn)生新相。 2021年

15、12月14日星期二4時(shí)58分40秒11純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化2. 2. 純鐵的相圖分析（圖純鐵的相圖分析（圖6.26.2）磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)：磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)：A2A2FeFe與與FeFe間晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)：間晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)：A3A3FeFe與與FeFe間晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)：間晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)：A4A4FeFe與液相轉(zhuǎn)變點(diǎn)（熔點(diǎn)）：與液相轉(zhuǎn)變點(diǎn)（熔點(diǎn)）：TmTm 即：即：FeFeFeFeFe Fe 液相液相對(duì)于金屬而言，一般在常壓下進(jìn)行對(duì)于金屬而言，一般在常壓下進(jìn)行轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變( (沸點(diǎn)以下沸點(diǎn)以下) ) 。A3A3、A4 A4 為為同素異構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)轉(zhuǎn)變點(diǎn) A2TmA4A32021年12月14日

16、星期二4時(shí)58分40秒12SiOSiO2 2相平衡圖相平衡圖3. 3. 除某些金屬外，在某除某些金屬外，在某些化合物中也有多晶型些化合物中也有多晶型轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變( (稱(chēng)為稱(chēng)為同分異構(gòu)同分異構(gòu)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變) )。 SiOSiO2 2在不同在不同T T和和P P下下出現(xiàn)四種晶體結(jié)構(gòu)：出現(xiàn)四種晶體結(jié)構(gòu)：SiOSiO2 2SiOSiO2 2 2 2 鱗鱗SiOSiO2 2方方SiOSiO2 22021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒136.2 6.2 純晶體的凝固純晶體的凝固2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒146.2.1 6.2.1 結(jié)晶的現(xiàn)象與液態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)晶的現(xiàn)象與液態(tài)結(jié)構(gòu)一、結(jié)晶的現(xiàn)象一、結(jié)

17、晶的現(xiàn)象1.1.宏觀現(xiàn)象宏觀現(xiàn)象 a a 過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象( (SupercoolingSupercooling或或UndercoolingUndercooling) ) b b 結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱( (Latent Heat of Crystallization)Latent Heat of Crystallization) 2. 2. 微觀現(xiàn)象微觀現(xiàn)象 a a 形核（形核（NucleationNucleation） b b 長(zhǎng)大（長(zhǎng)大（Crystal growthCrystal growth） 2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒15熱分析裝置示意圖熱分析裝置示意圖 2021年12月

18、14日星期二4時(shí)58分40秒16純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線示意圖純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒17純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒18二、液態(tài)結(jié)構(gòu)二、液態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)（液態(tài)結(jié)構(gòu)（structure of meltstructure of melt）：）：液態(tài)結(jié)構(gòu)可由液態(tài)結(jié)構(gòu)可由X Xrayray衍射分析測(cè)定衍射分析測(cè)定液態(tài)結(jié)構(gòu)特征：原子排列長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序且短程液態(tài)結(jié)構(gòu)特征：原子排列長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序且短程有序的原子集團(tuán)是此消彼長(zhǎng)、瞬息萬(wàn)變、尺寸不穩(wěn)定有序的原子集團(tuán)是此消彼長(zhǎng)、瞬息萬(wàn)變、尺寸不穩(wěn)定的的（

19、結(jié)構(gòu)起伏）結(jié)構(gòu)起伏） 。 (1)(1)短短程有序程有序(Short range order)(Short range order) ，原子間距、，原子間距、配位數(shù)、體積與固體有差別。配位數(shù)、體積與固體有差別。 ( 2 ) ( 2 ) 存 在存 在 結(jié) 構(gòu) （ 相 ） 起 伏結(jié) 構(gòu) （ 相 ） 起 伏 ( S t r u c t u r a l ( S t r u c t u r a l undulation)undulation)。原因是液態(tài)金屬中存在著。原因是液態(tài)金屬中存在著能量起伏能量起伏(Energy undulation)-(Energy undulation)-原子處于熱運(yùn)動(dòng)中。原子

20、處于熱運(yùn)動(dòng)中。 溫度降低，這些近程有序的原子集團(tuán)（又稱(chēng)為溫度降低，這些近程有序的原子集團(tuán)（又稱(chēng)為晶胚晶胚(Embryo)(Embryo)尺寸會(huì)增大；當(dāng)具備結(jié)晶條件時(shí)，大于一定尺寸會(huì)增大；當(dāng)具備結(jié)晶條件時(shí)，大于一定尺寸的晶胚就會(huì)成為尺寸的晶胚就會(huì)成為晶核晶核(Nucleus)(Nucleus)。晶核的出現(xiàn)就意。晶核的出現(xiàn)就意味著結(jié)晶開(kāi)始了。味著結(jié)晶開(kāi)始了。2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒196.2.2 6.2.2 金屬凝固的熱力學(xué)條件金屬凝固的熱力學(xué)條件 金屬凝固時(shí)壓力不變，兩相共存，根據(jù)相律金屬凝固時(shí)壓力不變，兩相共存，根據(jù)相律f=C-P+1f=C-P+1，得，得f=0f=0，則溫

21、度也不變。在熔點(diǎn)則溫度也不變。在熔點(diǎn)(Tm)(Tm)點(diǎn)點(diǎn)Gs =Gs =GlGl，GvGv = 0 = 0，TmTm稱(chēng)為稱(chēng)為平衡凝固平衡凝固溫度（溫度（equilibrium solidification temperatureequilibrium solidification temperature）。在等溫等壓。在等溫等壓下體系自發(fā)進(jìn)行的方向是體系自由能降低的方向。下體系自發(fā)進(jìn)行的方向是體系自由能降低的方向。 當(dāng)當(dāng)T TTmTm， Gs Gs GlGl，固態(tài)自動(dòng)熔化；，固態(tài)自動(dòng)熔化； T TTm Tm ，Gs Gs GlGl，液態(tài)向固態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變，液態(tài)向固態(tài)自發(fā)轉(zhuǎn)變. . 根據(jù)物理化學(xué)中熵

22、、焓、根據(jù)物理化學(xué)中熵、焓、自由能（自由能（free energyfree energy）之間關(guān)系計(jì)之間關(guān)系計(jì)算得：算得：GvGv = =Lm Lm T/Tm T/Tm ，T= TmT= TmT T，熔點(diǎn)，熔點(diǎn)TmTm與實(shí)際溫度與實(shí)際溫度T T之差之差T0,T0,則則T T為過(guò)冷度為過(guò)冷度. . LmLm是熔化熱，體系向環(huán)境吸熱，為正。是熔化熱，體系向環(huán)境吸熱，為正。 要使要使GvGv00T0，即要低于平衡凝固溫度才能發(fā)生凝固。，即要低于平衡凝固溫度才能發(fā)生凝固。 即凝固熱力學(xué)條件是：即凝固熱力學(xué)條件是：需要有需要有過(guò)冷度過(guò)冷度(degree of (degree of superercool

23、ingsuperercooling) )2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒206.2.3 6.2.3 形形 核核 凝固的過(guò)程包括凝固的過(guò)程包括形核（形核（nucleationnucleation）和長(zhǎng)大）和長(zhǎng)大（growthgrowth）兩個(gè)過(guò)程。兩個(gè)過(guò)程。 形核方式分為：形核方式分為： (1) (1) 均勻形核（均勻形核（homogeneous nucleationhomogeneous nucleation）：）：新相晶核是在新相晶核是在母相中均勻地生成的，是由液相中的一些原子團(tuán)（結(jié)構(gòu)起伏）母相中均勻地生成的，是由液相中的一些原子團(tuán)（結(jié)構(gòu)起伏）直接形成，不受雜質(zhì)或外表面的影響。直

24、接形成，不受雜質(zhì)或外表面的影響。 (2) (2) 非均勻形核（非均勻形核（heterogeneous nucleationheterogeneous nucleation）：）：新相晶核新相晶核優(yōu)先在母相中的雜質(zhì)或外表面形核。優(yōu)先在母相中的雜質(zhì)或外表面形核。2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒211. 1. 均勻形核均勻形核晶核形成時(shí)能量變化和晶核形成時(shí)能量變化和臨界晶核（臨界晶核（critical nucleuscritical nucleus）A. A. 晶核形成時(shí)能量變化晶核形成時(shí)能量變化 均勻形核必須在過(guò)冷液態(tài)金屬中進(jìn)行，這時(shí)在液相中存均勻形核必須在過(guò)冷液態(tài)金屬中進(jìn)行，這時(shí)在液

25、相中存在結(jié)構(gòu)起伏使得短程有序的原子集團(tuán)成為均勻形核的在結(jié)構(gòu)起伏使得短程有序的原子集團(tuán)成為均勻形核的“胚胚芽芽”，即晶胚。過(guò)冷液態(tài)中出現(xiàn)，即晶胚。過(guò)冷液態(tài)中出現(xiàn)晶胚（晶胚（embryoembryo）后，整個(gè)后，整個(gè)體系體系G G發(fā)生變化：發(fā)生變化：G=4/3.rG=4/3.r3 3 Gv+4rGv+4r2 2式式6.96.9即在此區(qū)域的原子由液態(tài)的聚集態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的排列狀態(tài)，即在此區(qū)域的原子由液態(tài)的聚集態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的排列狀態(tài)，使整個(gè)體系體積自由能使整個(gè)體系體積自由能( (GvGv) )降低，同時(shí)由于形成新的表降低，同時(shí)由于形成新的表面，使表面自由能面，使表面自由能()()升高，存在升高，存在能量

26、起伏（能量起伏（energy energy undulationundulation）。能量起伏使其獲得。能量起伏使其獲得形核功（形核功（nucleation nucleation energyenergy），形成穩(wěn)定的，形成穩(wěn)定的晶核（晶核（nucleusnucleus）。2021年12月14日星期二4時(shí)58分40秒22B. B. 臨界晶核臨界晶核從圖從圖6.66.6中和式中和式6.106.10分析，晶胚半徑與分析，晶胚半徑與G G關(guān)系。只有晶胚半徑達(dá)到關(guān)系。只有晶胚半徑達(dá)到r r* *時(shí)時(shí)才能使晶胚成為穩(wěn)定晶核才能使晶胚成為穩(wěn)定晶核(r(r* *可通過(guò)極值求得可通過(guò)極值求得) )：r r*

27、 * = -2/ = -2/ GvGv, ,由由GvGv = =Lm Lm T/Tm ,T/Tm ,得得r r* * = 2Tm/(Lm = 2Tm/(Lm T )T ) r rr rr r* * 晶胚長(zhǎng)大，晶胚長(zhǎng)大，G G下降，晶胚可能成為穩(wěn)定晶核。稱(chēng)下降，晶胚可能成為穩(wěn)定晶核。稱(chēng)r r* *為為臨臨界晶核半徑界晶核半徑（critical nucleus radiuscritical nucleus radius）。C. C. 形核功形核功 而而r r處于處于 r r* *r0r0之間，即之間，即r r* *rr0r0G0，G GV V的降低不足以補(bǔ)的降低不足以補(bǔ)充這部分能量，必須由外界提供

28、，這部分能量稱(chēng)為充這部分能量，必須由外界提供，這部分能量稱(chēng)為形核功形核功（nucleation nucleation energyenergy）。臨界形核功臨界形核功（critical nucleation energycritical nucleation energy）： 將將r r* * = -2/ = -2/ GvGv代代入入G=4/3.rG=4/3.r3 3 Gv+4rGv+4r2 2即：即：G G* * = 16 = 163 3 /3( /3(Gv)Gv)2 2= 16= 163 3 Tm Tm2 2/3(Lm /3(Lm T)T)2 2A A* * = 4( = 4(r r* *

29、) )2 2 =16=162 2 /( /(Gv)Gv)2 2, , 因此因此: : G G* * = A = A* *. . /3 /3 0 0, ,仍是增加的仍是增加的, ,只有靠能量起伏來(lái)提供只有靠能量起伏來(lái)提供. .2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒23D. D. 形核率形核率N N 當(dāng)溫度低于當(dāng)溫度低于TmTm時(shí)時(shí), ,單位體積液體內(nèi)在單位時(shí)間內(nèi)所形成的晶核數(shù)單位體積液體內(nèi)在單位時(shí)間內(nèi)所形成的晶核數(shù)( (形核率形核率).). 影響因素影響因素: :形核功因子和原子擴(kuò)散幾率因子形核功因子和原子擴(kuò)散幾率因子 N=K N=K exp(-exp(-G G* * / /kTkT) e

30、xp(-Q/) exp(-Q/kTkT) ) K K為比例常數(shù)為比例常數(shù), ,G G* *為形核功為形核功, Q, Q為原子越過(guò)液、固相界面的擴(kuò)散激活能為原子越過(guò)液、固相界面的擴(kuò)散激活能, , k k為玻耳茲曼常數(shù)為玻耳茲曼常數(shù),T,T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度. .形核率與溫度、過(guò)冷度的關(guān)系見(jiàn)下圖形核率與溫度、過(guò)冷度的關(guān)系見(jiàn)下圖: :圖圖6.76.7和圖和圖6.8.6.8.Tm溫度T( (過(guò)冷度過(guò)冷度)O形核率N0.2Tm形核率N過(guò)冷度TO均勻有效形核溫度過(guò)冷度增加,臨界形核半徑減小,形核率迅速增長(zhǎng);過(guò)冷度繼續(xù)增大,原子在低溫?cái)U(kuò)散困難,形核率降低,故出現(xiàn)峰值.2021年12月14日星期二4時(shí)58分

31、41秒24說(shuō)明：說(shuō)明：G G* * = 16 = 163 3 /3( /3(Gv)Gv)2 2= 16= 163 3 Tm Tm2 2/3(Lm /3(Lm T)T)2 2A A* * = 4( = 4(r r* *) )2 2 =16=162 2 /( /(Gv)Gv)2 2, , 形核功形核功G G* *與（與（T T）2 2成反比，成反比，TT，G G* *越小。越小。形成臨界晶核時(shí)自由能仍是增高的（形成臨界晶核時(shí)自由能仍是增高的（G G* *00），其增值相當(dāng)于），其增值相當(dāng)于其表面能的其表面能的1/31/3，即，即LSLS體積自由能差值只補(bǔ)償形成臨界晶核體積自由能差值只補(bǔ)償形成臨界晶

32、核表面所需的能量的表面所需的能量的2/32/3，而不足的，而不足的1/31/3則另需他法。則另需他法。 需能量起伏來(lái)補(bǔ)充。需能量起伏來(lái)補(bǔ)充。 故：形核需要故：形核需要：a. a. 過(guò)冷條件過(guò)冷條件 b. b. 結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏 c. c. 能量起伏能量起伏 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒252. 2. 非均勻形核非均勻形核( (圖圖6.9)6.9) 非均勻形時(shí)體系總的自由能變化為：非均勻形時(shí)體系總的自由能變化為： 式式6.246.24G=(4/3.rG=(4/3.r3 3 Gv+4rGv+4r2 2ll)(2-3cos+cos)(2-3cos+cos3 3)/4)/4非均勻形時(shí)臨

33、界晶核半徑非均勻形時(shí)臨界晶核半徑r r* *：利用：利用 dG/drdG/dr=0 =0 可求可求r r* * r r* * = -2= -2ll/ / GvGv 式式6.256.25非均勻形核功非均勻形核功 ：G G* *hethet = = G G* *homhom (2-3cos+cos (2-3cos+cos3 3)/4 )/4 = = G G* *homhom f f（） 式式6.266.26 討論：討論：=180=180時(shí)，時(shí)，G G* *hethet = = G G* *homhom 質(zhì)點(diǎn)不起作用質(zhì)點(diǎn)不起作用 ； =0=0時(shí)，時(shí)，G G* *hethet=0 =0 不需形核功，質(zhì)

34、點(diǎn)作晶核；不需形核功，質(zhì)點(diǎn)作晶核； =0=0180180時(shí)，時(shí)，f f（）11，G G* *hethet G G* *homhom即即 非非均勻形核功小，均勻形核功小，T T也較小。也較小。非均勻形核時(shí)形核率與過(guò)冷度、液體內(nèi)懸浮質(zhì)點(diǎn)及其數(shù)量、形非均勻形核時(shí)形核率與過(guò)冷度、液體內(nèi)懸浮質(zhì)點(diǎn)及其數(shù)量、形貌和一些物理因素有關(guān)。貌和一些物理因素有關(guān)。 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒26非均勻形核與均勻形核比較，有如下結(jié)論：非均勻形核與均勻形核比較，有如下結(jié)論：（1 1）二者臨界半徑相等）二者臨界半徑相等. .（2 2）非均勻形核更容易，需要的過(guò)冷更小，因?yàn)?，）非均勻形核更容易，需要的過(guò)冷更

35、小，因?yàn)?，f f ( ()1)1，故，故越小，越易形核越小，越易形核. .極端情況極端情況=0=0，則則G G* *=0=0，表明完全潤(rùn)濕，不需形核，表明完全潤(rùn)濕，不需形核功，現(xiàn)成晶核，可直接結(jié)晶長(zhǎng)大。功，現(xiàn)成晶核，可直接結(jié)晶長(zhǎng)大。=180=180，則，則G G* *=G G* *，表明此時(shí)非均勻形核，表明此時(shí)非均勻形核與均勻形核所需能量起伏相同。與均勻形核所需能量起伏相同。0 0180180，則，則G G* * =1855 T TMg(rinMg(rin) )=659=6593. 3. 固體雜質(zhì)形貌影響固體雜質(zhì)形貌影響例如鑄型中的深孔或裂紋都屬凹曲例如鑄型中的深孔或裂紋都屬凹曲面，故易形核心

36、。面，故易形核心。4. 4. 過(guò)熱度的影響過(guò)熱度的影響 T T過(guò)熱過(guò)熱=T=T液液_T_Tm m，主要對(duì)非均勻形核影響主要對(duì)非均勻形核影響5. 5. 其它因素其它因素 攪拌、振動(dòng)攪拌、振動(dòng) 3. 3. 形核率的影響因素形核率的影響因素 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒28形核率與過(guò)冷度的關(guān)系曲線形核率與過(guò)冷度的關(guān)系曲線2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒29金屬結(jié)晶的特點(diǎn)金屬結(jié)晶的特點(diǎn) （總結(jié)）（總結(jié)）綜上所述，金屬的結(jié)晶有如下特點(diǎn)：綜上所述，金屬的結(jié)晶有如下特點(diǎn)： （1 1） 必須在過(guò)冷條件下進(jìn)行必須在過(guò)冷條件下進(jìn)行 （2 2） r r* *與與呈正比，與呈正比，與TT成

37、反比成反比 （3 3） 均勻形核需結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏均勻形核需結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏 （4 4）晶核形成在一定溫度下進(jìn)行，結(jié)晶時(shí)存晶核形成在一定溫度下進(jìn)行，結(jié)晶時(shí)存在動(dòng)態(tài)過(guò)冷在動(dòng)態(tài)過(guò)冷( (晶體長(zhǎng)大過(guò)程需在晶體長(zhǎng)大過(guò)程需在液固界面液固界面前沿液體中有一定前沿液體中有一定的過(guò)冷度的過(guò)冷度: :液固界面溫度與液體中的溫度液固界面溫度與液體中的溫度) ) （5 5）工業(yè)生產(chǎn)中液態(tài)金屬常以非均勻形核方工業(yè)生產(chǎn)中液態(tài)金屬常以非均勻形核方式進(jìn)行式進(jìn)行 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒306.2.4 6.2.4 晶體長(zhǎng)大晶體長(zhǎng)大 晶體長(zhǎng)大（晶體長(zhǎng)大（crystal growthcrystal gro

38、wth）的過(guò)程是液體中原子遷移到晶的過(guò)程是液體中原子遷移到晶體表面，即液固界面向液體中推移的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)液體體表面，即液固界面向液體中推移的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)液體中單個(gè)原子并按照原子面排列的要求與晶體表面原子結(jié)合在一起。中單個(gè)原子并按照原子面排列的要求與晶體表面原子結(jié)合在一起。它主要與液固界面結(jié)構(gòu)及其液固界面前沿液相中的溫度分布有關(guān)。它主要與液固界面結(jié)構(gòu)及其液固界面前沿液相中的溫度分布有關(guān)。 晶體長(zhǎng)大的條件：晶體長(zhǎng)大的條件： （1 1）要求液相能繼續(xù)不斷地向晶體擴(kuò)散供應(yīng)原子（溫度要高）要求液相能繼續(xù)不斷地向晶體擴(kuò)散供應(yīng)原子（溫度要高） （2 2）要求晶體表面能不斷牢靠地接納這些原子。

39、）要求晶體表面能不斷牢靠地接納這些原子。 晶體接納原子各處不相同，多少與結(jié)構(gòu)有關(guān)，并符合結(jié)晶過(guò)程晶體接納原子各處不相同，多少與結(jié)構(gòu)有關(guān)，并符合結(jié)晶過(guò)程熱力學(xué)條件，即熱力學(xué)條件，即G Gv v s s，即要求同樣在過(guò)冷液體中進(jìn)行，只是，即要求同樣在過(guò)冷液體中進(jìn)行，只是T T小一些而已。小一些而已。 一般而言，條件（一般而言，條件（1 1）要求易滿足，條件（）要求易滿足，條件（2 2）中決定晶體長(zhǎng)大）中決定晶體長(zhǎng)大方或及長(zhǎng)大速度與晶核晶面結(jié)構(gòu)及界面處溫度分布、結(jié)晶潛熱及方或及長(zhǎng)大速度與晶核晶面結(jié)構(gòu)及界面處溫度分布、結(jié)晶潛熱及逸散條件有關(guān)，這些決定了晶體長(zhǎng)大后形態(tài)。（又決定其后組織，逸散條件有關(guān)，這

40、些決定了晶體長(zhǎng)大后形態(tài)。（又決定其后組織，所以要重視）。所以要重視）。 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒311. 1. 液固界面的構(gòu)造液固界面的構(gòu)造 晶體長(zhǎng)大過(guò)程需在晶體長(zhǎng)大過(guò)程需在液固界面（液固界面（solid-liquid solid-liquid interfaceinterface）前沿液體中有一定的過(guò)冷度（稱(chēng)為動(dòng)前沿液體中有一定的過(guò)冷度（稱(chēng)為動(dòng)態(tài)過(guò)冷），其值小于臨界過(guò)冷度，這是晶體長(zhǎng)大態(tài)過(guò)冷），其值小于臨界過(guò)冷度，這是晶體長(zhǎng)大的條件。的條件。 按原子尺寸把液固界面分為：按原子尺寸把液固界面分為： (1) (1) 光滑界面光滑界面（smooth interfacesmoot

41、h interface）：液固界：液固界面上的原子排列比較規(guī)則，界面處液固兩相截然面上的原子排列比較規(guī)則，界面處液固兩相截然分開(kāi)。從微觀上是光滑的，宏觀上是由若干個(gè)小分開(kāi)。從微觀上是光滑的，宏觀上是由若干個(gè)小平面所組成，呈鋸齒狀的折線狀。圖平面所組成，呈鋸齒狀的折線狀。圖6.136.13（a a）。）。屬于光滑界面的有：屬于光滑界面的有：無(wú)機(jī)化合物，亞金屬無(wú)機(jī)化合物，亞金屬，如，如GaGa、AsAs、SbSb、SiSi、SeSe。 (2) (2) 粗糙界面粗糙界面（rough interfacerough interface）：液固界：液固界面上的原子排列比較混亂，原子分布高低不平，面上的原子

42、排列比較混亂，原子分布高低不平，存在幾個(gè)原子層厚的過(guò)渡層，在過(guò)渡層上液固原存在幾個(gè)原子層厚的過(guò)渡層，在過(guò)渡層上液固原子各占一半，宏觀上是平直的圖子各占一半，宏觀上是平直的圖6.136.13（b b）。屬于）。屬于粗糙界面的有：粗糙界面的有：金屬金屬，如，如FeFe、AlAl、CuCu、ZnZn、AgAg。 固液光滑界面固液粗糙界面2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒32 a a 光滑界面光滑界面 b b 粗糙界面粗糙界面 圖圖6.13a 6.13a 固固- -液界面的微觀結(jié)構(gòu)示意圖液界面的微觀結(jié)構(gòu)示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒33 a a光滑界面光滑界面 b b粗糙

43、界面粗糙界面圖圖6.13b 6.13b 固固- -液界面的宏觀結(jié)構(gòu)示意圖液界面的宏觀結(jié)構(gòu)示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒342. 2. 晶體長(zhǎng)大方式及生長(zhǎng)速度晶體長(zhǎng)大方式及生長(zhǎng)速度 (1) (1) 連續(xù)長(zhǎng)大連續(xù)長(zhǎng)大( (均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大) )（continuous/uniform growthcontinuous/uniform growth） 適于粗糙界面結(jié)構(gòu)。在這種界面上，幾個(gè)原子厚的適于粗糙界面結(jié)構(gòu)。在這種界面上，幾個(gè)原子厚的界面層約一半空著，原子很容易進(jìn)入這些位置與晶體結(jié)界面層約一半空著，原子很容易進(jìn)入這些位置與晶體結(jié)合起來(lái)，使晶體連續(xù)地垂直于界面的方向向液相中生長(zhǎng)，

44、合起來(lái)，使晶體連續(xù)地垂直于界面的方向向液相中生長(zhǎng)，又稱(chēng)為又稱(chēng)為垂直長(zhǎng)大（垂直長(zhǎng)大（vertical growthvertical growth）。對(duì)于金屬，其平均對(duì)于金屬，其平均生長(zhǎng)速率（生長(zhǎng)速率（the rate of crystal the rate of crystal growthgrowth）：Vg = U1Vg = U1T TK K；對(duì)于粘性材料：對(duì)于粘性材料：VgVg隨隨T T增長(zhǎng)呈拋物線型增長(zhǎng)呈拋物線型 連續(xù)長(zhǎng)大連續(xù)長(zhǎng)大(均勻長(zhǎng)大均勻長(zhǎng)大)（continuous/uniform growth） 二維形核（二維形核（twodimensional nucleation） ）藉螺型位

45、錯(cuò)生長(zhǎng)藉螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒35(2(2) ) 二維形核（二維形核（twotwodimensional nucleationdimensional nucleation） 適于光滑界面結(jié)構(gòu)適于光滑界面結(jié)構(gòu) 。 液相中原子沿二維晶核側(cè)邊所形成的臺(tái)階不液相中原子沿二維晶核側(cè)邊所形成的臺(tái)階不斷地附著上去，使薄層斷地附著上去，使薄層( (晶核晶核) )很快擴(kuò)展而鋪滿整很快擴(kuò)展而鋪滿整個(gè)表面?zhèn)€表面（圖（圖6.166.16） 。其生長(zhǎng)速率為：其生長(zhǎng)速率為：Vg = U2Vg = U2expexp（b/b/TKTK）(3(3）藉螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)）藉螺型位錯(cuò)生長(zhǎng) 若光滑界面存在

46、螺位錯(cuò)時(shí)，垂直于位錯(cuò)線的若光滑界面存在螺位錯(cuò)時(shí)，垂直于位錯(cuò)線的表面呈螺旋形臺(tái)階，且不會(huì)消失。晶體長(zhǎng)大只是表面呈螺旋形臺(tái)階，且不會(huì)消失。晶體長(zhǎng)大只是在臺(tái)階在臺(tái)階側(cè)側(cè)邊進(jìn)行，當(dāng)臺(tái)階圍繞整個(gè)臺(tái)面轉(zhuǎn)一圈之邊進(jìn)行，當(dāng)臺(tái)階圍繞整個(gè)臺(tái)面轉(zhuǎn)一圈之后又出現(xiàn)一層臺(tái)階，如此反復(fù)沿臺(tái)階呈螺旋生長(zhǎng)后又出現(xiàn)一層臺(tái)階，如此反復(fù)沿臺(tái)階呈螺旋生長(zhǎng)（圖（圖6.176.17）。）。其生長(zhǎng)速率：其生長(zhǎng)速率： Vg = U3Vg = U3T TK K2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒366.2.5 6.2.5 結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及凝固組織結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及凝固組織約翰遜約翰遜梅爾（梅爾（JohnsonJohnsonMehlMehl）方程）

47、方程：式式6.416.41。P238P238上述動(dòng)力學(xué)方程適用于上述動(dòng)力學(xué)方程適用于4 4個(gè)條件下的任何個(gè)條件下的任何形核和長(zhǎng)大過(guò)程。形核和長(zhǎng)大過(guò)程。( (均勻形核、均勻形核、N N和和VgVg為常數(shù)，小的孕育期為常數(shù)，小的孕育期) )1.1.結(jié)晶動(dòng)力學(xué)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒37金屬結(jié)晶時(shí)金屬結(jié)晶時(shí)N NT T 、G GT T關(guān)系關(guān)系2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒382. 2. 純晶體凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài)純晶體凝固時(shí)的生長(zhǎng)形態(tài) (1) (1) 在正的在正的溫度梯度溫度梯度（temperature gradienttemperature gradient

48、）下，相界面的推移速度受固相傳熱速度控制，下，相界面的推移速度受固相傳熱速度控制，生長(zhǎng)形態(tài)與界面結(jié)構(gòu)有關(guān)生長(zhǎng)形態(tài)與界面結(jié)構(gòu)有關(guān): : a a 光滑界面，生長(zhǎng)形態(tài)呈臺(tái)階狀光滑界面，生長(zhǎng)形態(tài)呈臺(tái)階狀( (鋸齒狀鋸齒狀) ) b b 粗糙界面，生長(zhǎng)形態(tài)呈平面狀粗糙界面，生長(zhǎng)形態(tài)呈平面狀 (2) (2) 在負(fù)的溫度梯度下，在負(fù)的溫度梯度下，生長(zhǎng)形態(tài)為生長(zhǎng)形態(tài)為樹(shù)枝狀長(zhǎng)樹(shù)枝狀長(zhǎng)大大。樹(shù)枝晶（樹(shù)枝晶（dendritedendrite）長(zhǎng)大具有一定的晶體長(zhǎng)大具有一定的晶體取向，與晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型有關(guān)：取向，與晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型有關(guān)：fccfcc或或bccbcc結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) hcphcp。粗糙界面結(jié)構(gòu)的金屬，。粗糙界面結(jié)構(gòu)

49、的金屬，其樹(shù)枝生長(zhǎng)形態(tài)最為明顯；光滑界面結(jié)構(gòu)的金其樹(shù)枝生長(zhǎng)形態(tài)最為明顯；光滑界面結(jié)構(gòu)的金屬，樹(shù)枝晶不明顯。屬，樹(shù)枝晶不明顯。 2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒39 圖圖6.216.21（a a） 正溫度梯度示意圖正溫度梯度示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒40 圖圖6.216.21（b b） 負(fù)溫度梯度示意圖負(fù)溫度梯度示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒41 圖圖6.22 6.22 正溫度梯度下的兩種界面形狀正溫度梯度下的兩種界面形狀2021年12月14日星期二4時(shí)58分41秒42樹(shù)枝狀晶體長(zhǎng)大示意圖樹(shù)枝狀晶體長(zhǎng)大示意圖2021年12月14日星期二4時(shí)

50、58分42秒43鋼錠中的鋼錠中的樹(shù)枝狀晶體樹(shù)枝狀晶體2021年12月14日星期二4時(shí)58分42秒44 樹(shù)枝狀晶體形貌樹(shù)枝狀晶體形貌2021年12月14日星期二4時(shí)58分42秒45 Ni-Ta-Mn-CrNi-Ta-Mn-Cr合金的樹(shù)枝狀界面合金的樹(shù)枝狀界面2021年12月14日星期二4時(shí)58分42秒466.2.6 6.2.6 凝固后晶粒大小控制凝固后晶粒大小控制 晶粒大小對(duì)材料的性能影響很大，實(shí)踐證明，晶粒大小對(duì)材料的性能影響很大，實(shí)踐證明，材料的屈服強(qiáng)度材料的屈服強(qiáng)度S S與晶粒直徑與晶粒直徑d d符合符合Hall-Hall-PetchPetch公式：公式： S S= = 0 0 + + K

51、 K d d -1/2-1/2 式中，式中，0 0和和K K是兩個(gè)與材料有關(guān)的常數(shù)。可見(jiàn)，是兩個(gè)與材料有關(guān)的常數(shù)?？梢?jiàn)，晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度越高。不僅如此，晶晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度越高。不僅如此，晶粒細(xì)小還可以提高材料的塑性和韌性。粒細(xì)小還可以提高材料的塑性和韌性。 晶粒大小用晶粒度來(lái)表示，標(biāo)準(zhǔn)分為晶粒大小用晶粒度來(lái)表示，標(biāo)準(zhǔn)分為8 8級(jí)（見(jiàn)級(jí)（見(jiàn)下圖）；下圖）；1 1級(jí)最粗，級(jí)最粗，D0.25D0.25；8 8級(jí)最細(xì)，級(jí)最細(xì)，D0.02D0.02。晶粒細(xì)小，材料性能提高。晶粒細(xì)小，材料性能提高。2021年12月14日星期二4時(shí)58分42秒47八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)晶粒圖八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)晶粒圖2021年12月14

52、日星期二4時(shí)58分42秒48控制晶粒大小措施之一控制晶粒大小措施之一增加過(guò)冷度增加過(guò)冷度 根據(jù)凝固理論，細(xì)化晶粒的途徑是提高形核根據(jù)凝固理論，細(xì)化晶粒的途徑是提高形核率和抑制晶體的長(zhǎng)大速率。為控制結(jié)晶后晶粒率和抑制晶體的長(zhǎng)大速率。為控制結(jié)晶后晶粒尺寸，工藝上采取的主要措施有：尺寸，工藝上采取的主要措施有： （1 1）過(guò)冷度增加）過(guò)冷度增加 式式6.45 6.45 主要控制主要控制N N和和VgVg，二者取決于，二者取決于T T。 NexpNexp（1/1/T T） VgVg：連續(xù)長(zhǎng)大時(shí)：連續(xù)長(zhǎng)大時(shí) Vg Vg T T 螺位錯(cuò)長(zhǎng)大時(shí)螺位錯(cuò)長(zhǎng)大時(shí) VgVgT T T T上升，上升，N N呈指數(shù)增加

53、，但呈指數(shù)增加，但N N比比VgVg增加快，晶粒增加快，晶粒細(xì)化。實(shí)際生產(chǎn)中措施如：降低熔液的燒注溫細(xì)化。實(shí)際生產(chǎn)中措施如：降低熔液的燒注溫度；選擇吸熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱性大的鑄模材料度；選擇吸熱能力強(qiáng)，導(dǎo)熱性大的鑄模材料 。2021年12月14日星期二4時(shí)58分42秒49控制晶粒大小措施之二控制晶粒大小措施之二變質(zhì)處理變質(zhì)處理 （2 2）形核劑作用（變質(zhì)處理）形核劑作用（變質(zhì)處理）：熔液結(jié)晶前：熔液結(jié)晶前加入人工形核劑加入人工形核劑( (即孕育劑或變質(zhì)劑即孕育劑或變質(zhì)劑) )作為非均作為非均勻形核的晶核。變質(zhì)劑作用取決于接觸角（潤(rùn)勻形核的晶核。變質(zhì)劑作用取決于接觸角（潤(rùn)濕角）濕角）：越小，形核劑的作用大。越小，形核劑的作用大。 晶核與變質(zhì)劑符合點(diǎn)陣匹配原則：結(jié)構(gòu)相晶核與變質(zhì)劑符合點(diǎn)陣匹配原則：結(jié)構(gòu)相似、似、( (原子間距原子間距) )大小相當(dāng)。大小相當(dāng)。 錯(cuò)配度（錯(cuò)配度（mismatchmismatch）： 定義：定義：= |a= |aa1|/aa1|/a 如：如