ch3 純金屬的結(jié)晶

1、第三章第三章 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶u物質(zhì)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為凝固凝固。u如果液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的固體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為如果液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的固體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶結(jié)晶。u金屬及合金的生產(chǎn)、制備一般都要經(jīng)過(guò)熔煉與鑄造，通過(guò)金屬及合金的生產(chǎn)、制備一般都要經(jīng)過(guò)熔煉與鑄造，通過(guò)熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄型中，凝固后熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄型中，凝固后獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過(guò)冷熱變形以制成各種獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過(guò)冷熱變形以制成各種型材、棒材、板材和線材。型材、棒材、板材和線材。u金屬及合金的結(jié)晶組織對(duì)其性能以及隨后的加工有很

2、大的金屬及合金的結(jié)晶組織對(duì)其性能以及隨后的加工有很大的影響，而結(jié)晶組織的形成與結(jié)晶過(guò)程密切相關(guān)。影響，而結(jié)晶組織的形成與結(jié)晶過(guò)程密切相關(guān)。第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程圖 結(jié)晶示意圖圖 金屬氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的原子排列示意圖 3.1.1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)u(l)金屬的熔化潛熱金屬的熔化潛熱(Lm)遠(yuǎn)小于其氣化潛熱遠(yuǎn)小于其氣化潛熱(Lb) 。u(2)金屬熔化時(shí)的體積變化小金屬熔化時(shí)的體積變化小（僅為僅為35左右左右）。而液、氣態(tài)。而液、氣態(tài)之間的體積差別卻很大。之間的體積差別卻很大。u(3)金屬的熔化熵金屬的熔化熵S Sm m相對(duì)于固態(tài)時(shí)熵變相對(duì)于固態(tài)時(shí)熵變（由室溫至由

3、室溫至Tm之間之間S ）有較大的增加。有較大的增加。 u(4)金屬液、固兩態(tài)的熱容量差別不大金屬液、固兩態(tài)的熱容量差別不大（一般在一般在10以下以下），而，而液、氣態(tài)熱容量相差為液、氣態(tài)熱容量相差為2050，液態(tài)金屬中原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，液態(tài)金屬中原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與固態(tài)相近。與固態(tài)相近。u(5)由由X射線分析結(jié)果表明，射線分析結(jié)果表明，在熔點(diǎn)在熔點(diǎn)T Tm m附近的液態(tài)金屬中的附近的液態(tài)金屬中的原子平均間距比固態(tài)稍大些原子平均間距比固態(tài)稍大些；原子配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)的晶體原子配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)的晶體稍小些稍小些，通常在，通常在811之間。之間。u由以上研究結(jié)果推斷，由以上研究結(jié)果推斷，液態(tài)金屬具有與固態(tài)金屬

4、相近似的液態(tài)金屬具有與固態(tài)金屬相近似的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。u1963巴克提出了巴克提出了準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)模型，即認(rèn)為，即認(rèn)為在略高于熔點(diǎn)的在略高于熔點(diǎn)的液態(tài)金屬中，存在著許許多多與固態(tài)金屬中原子排列近似的液態(tài)金屬中，存在著許許多多與固態(tài)金屬中原子排列近似的微小原子集團(tuán)。由于液態(tài)金屬中原子熱運(yùn)動(dòng)比較激烈，這些微小原子集團(tuán)。由于液態(tài)金屬中原子熱運(yùn)動(dòng)比較激烈，這些近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)不穩(wěn)定，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)不穩(wěn)定，時(shí)聚時(shí)散，此起彼伏。u19651970年，伯納爾等人提出了年，伯納爾等人提出了隨機(jī)密堆模型隨機(jī)密堆模型(非晶體非晶體模型模型)來(lái)描述液體結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型的基本點(diǎn)是

5、認(rèn)為來(lái)描述液體結(jié)構(gòu)。這個(gè)模型的基本點(diǎn)是認(rèn)為液態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)屬非晶態(tài)屬非晶態(tài)。u當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到熔點(diǎn)Tm以下的某一溫度開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，以下的某一溫度開(kāi)始結(jié)晶時(shí)，在液體中首先形成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱(chēng)為在液體中首先形成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱(chēng)為晶核晶核。隨后。隨后這些晶核逐漸長(zhǎng)大，與此同時(shí)，在液態(tài)金屬中又形成一些這些晶核逐漸長(zhǎng)大，與此同時(shí)，在液態(tài)金屬中又形成一些新的穩(wěn)定的晶核并長(zhǎng)大。這一過(guò)程一直延續(xù)到液體全部耗新的穩(wěn)定的晶核并長(zhǎng)大。這一過(guò)程一直延續(xù)到液體全部耗盡為止，形成了固態(tài)金屬的晶粒組織。盡為止，形成了固態(tài)金屬的晶粒組織。u單位時(shí)間、單位液態(tài)金屬中形成的晶核數(shù)叫做單位時(shí)間、單位液

6、態(tài)金屬中形成的晶核數(shù)叫做形核率形核率，用，用N表示，單位為表示，單位為cm-3s-1。單位時(shí)間內(nèi)晶核增長(zhǎng)的線長(zhǎng)度叫做單位時(shí)間內(nèi)晶核增長(zhǎng)的線長(zhǎng)度叫做長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度，用，用u表示，單位為表示，單位為cms-1。 u液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程乃是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程所組液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程乃是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程所組成，并且這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)并進(jìn)的。成，并且這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)并進(jìn)的。3.1.2 純金屬的結(jié)晶過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程圖 金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖 第二節(jié)第二節(jié) 結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件圖圖 熱分析設(shè)備示意圖熱分析設(shè)備示意圖 研究純金屬的結(jié)晶過(guò)程常采用研究純金屬的結(jié)晶過(guò)程常采用熱分析法熱分析法圖

7、圖 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線u從溫度從溫度時(shí)間曲線（冷卻曲線）時(shí)間曲線（冷卻曲線）可見(jiàn)，純金屬結(jié)晶有兩個(gè)宏觀現(xiàn)可見(jiàn)，純金屬結(jié)晶有兩個(gè)宏觀現(xiàn)象：象：過(guò)冷過(guò)冷和和恒溫恒溫。u純金屬的實(shí)際凝固溫度純金屬的實(shí)際凝固溫度Tn總比總比其熔點(diǎn)其熔點(diǎn)Tm低，這種現(xiàn)象叫做低，這種現(xiàn)象叫做過(guò)冷過(guò)冷。uTm與與Tn的差值的差值T叫做叫做過(guò)冷過(guò)冷度度。3.2.1 結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象u不同金屬的過(guò)冷傾向不同，同一種金屬的過(guò)冷度也不是恒不同金屬的過(guò)冷傾向不同，同一種金屬的過(guò)冷度也不是恒定值，它將隨實(shí)驗(yàn)條件而變。定值，它將隨實(shí)驗(yàn)條件而變。冷卻速度增大，會(huì)使金屬凝固冷卻速度增大，會(huì)使金屬凝固時(shí)的過(guò)冷度增大。時(shí)的

8、過(guò)冷度增大。u過(guò)冷是金屬凝固的必要條件過(guò)冷是金屬凝固的必要條件。 u金屬由液體冷凝成固體時(shí)要放出凝固潛熱，如果這一部分金屬由液體冷凝成固體時(shí)要放出凝固潛熱，如果這一部分熱量恰好能補(bǔ)償系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱量，凝固將在恒溫下進(jìn)熱量恰好能補(bǔ)償系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱量，凝固將在恒溫下進(jìn)行。行。u純金屬結(jié)晶的兩個(gè)宏觀現(xiàn)象就是過(guò)冷和恒溫。純金屬結(jié)晶的兩個(gè)宏觀現(xiàn)象就是過(guò)冷和恒溫。TSHGSdTVdpdGSdTdGu壓力可視為常數(shù)，壓力可視為常數(shù)，dpdp=0=0 u溫度升高，原子活動(dòng)能力提高，因而原子排列的混亂程度溫度升高，原子活動(dòng)能力提高，因而原子排列的混亂程度增加，即熵值增加，系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。

9、增加，即熵值增加，系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。3.2.2 結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件為什么液態(tài)金屬結(jié)晶必須在一定的為什么液態(tài)金屬結(jié)晶必須在一定的過(guò)冷條件下才能進(jìn)行呢？這是由熱過(guò)冷條件下才能進(jìn)行呢？這是由熱力學(xué)條件決定的。力學(xué)條件決定的。 圖圖 吉布斯自由能隨溫度變化的關(guān)系吉布斯自由能隨溫度變化的關(guān)系 uTTm,GLGS,處于液態(tài)；處于液態(tài)；uT=Tm,GL=GS,兩相共存；兩相共存；uTGS,處于固相。處于固相。SLVGGGTSHG)(SSLLVTSHTSHG)(SLSLSSTHH0VmmSLGTTLHH時(shí)，為熔化潛熱，mmmmmmmmVTTLTTTLTLTLG）（驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力GV與

10、過(guò)冷度與過(guò)冷度T成正比成正比 兩相自由能之差構(gòu)成了兩相自由能之差構(gòu)成了結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力3.3 3.3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 金屬結(jié)晶是由晶核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程完成的，而晶核金屬結(jié)晶是由晶核的形成和長(zhǎng)大過(guò)程完成的，而晶核是由晶胚生成的。是由晶胚生成的。液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列的原子集液態(tài)金屬中短程規(guī)則排列的原子集團(tuán)是形成晶胚的基礎(chǔ)。團(tuán)是形成晶胚的基礎(chǔ)。 液態(tài)金屬中存在的短程規(guī)則排列原子集團(tuán)是處于瞬間液態(tài)金屬中存在的短程規(guī)則排列原子集團(tuán)是處于瞬間出現(xiàn)、瞬間消失、此起彼伏、變化不定的狀態(tài)之中，出現(xiàn)、瞬間消失、此起彼伏、變化不定的狀態(tài)之中，稱(chēng)為稱(chēng)為結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏或或相起伏相起伏。

11、 結(jié)晶結(jié)晶 短程規(guī)則排列原子集團(tuán)長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)只有在過(guò)冷液體中出現(xiàn)尺寸較大的相起伏（稱(chēng)為晶只有在過(guò)冷液體中出現(xiàn)尺寸較大的相起伏（稱(chēng)為晶胚），才有可能在結(jié)晶時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。胚），才有可能在結(jié)晶時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш恕Ｒ虼?，因此，液態(tài)金液態(tài)金屬中的這種此起彼伏，瞬時(shí)形成，又瞬時(shí)消的失短程屬中的這種此起彼伏，瞬時(shí)形成，又瞬時(shí)消的失短程規(guī)則排列原子集團(tuán)，是液態(tài)金屬結(jié)晶的形核基礎(chǔ)。規(guī)則排列原子集團(tuán)，是液態(tài)金屬結(jié)晶的形核基礎(chǔ)。 瞬時(shí)瞬時(shí) 2 瞬時(shí)瞬時(shí) 13.4 晶核的形成晶核的形成 u自發(fā)形核自發(fā)形核( (均勻形核均勻形核) )：在液態(tài)金屬中，在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集存在大量尺寸不同的短程有序的

12、原子集團(tuán)。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，短程團(tuán)。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，短程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)形核。成為結(jié)晶核心。這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)形核。u非自發(fā)形核（非均勻形核）：非自發(fā)形核（非均勻形核）：實(shí)際金屬實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過(guò)程叫非屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過(guò)程叫非自發(fā)形核。自發(fā)形核。圖 均勻形核圖 非均勻形核u1.1.均勻形核的能量條件均勻形核的能量條件u在液態(tài)金屬中，時(shí)聚時(shí)散

13、的近程有序的原子集團(tuán)在液態(tài)金屬中，時(shí)聚時(shí)散的近程有序的原子集團(tuán)是形成晶核的胚芽，叫晶胚。是形成晶核的胚芽，叫晶胚。u在過(guò)冷條件下，晶胚形成時(shí)，系統(tǒng)自由能變化包在過(guò)冷條件下，晶胚形成時(shí)，系統(tǒng)自由能變化包括體積自由能的下降和表面能的增加。括體積自由能的下降和表面能的增加。AVGGV23434rGrGV3.3.1 均勻形核均勻形核圖 晶胚形成時(shí)系統(tǒng)自由能的變化與半徑的關(guān)系vrr*，其進(jìn)一步長(zhǎng)大將導(dǎo)致體系，其進(jìn)一步長(zhǎng)大將導(dǎo)致體系總自由能增加，因此這種晶胚不能總自由能增加，因此這種晶胚不能成為晶核，會(huì)重新熔化；成為晶核，會(huì)重新熔化；vrr*，其進(jìn)一步長(zhǎng)大將導(dǎo)致體系，其進(jìn)一步長(zhǎng)大將導(dǎo)致體系自由能減小，因此

14、半徑大于自由能減小，因此半徑大于r*的晶的晶胚能夠成為晶核；胚能夠成為晶核；vr=r*，其長(zhǎng)大的趨勢(shì)和熔化的趨，其長(zhǎng)大的趨勢(shì)和熔化的趨勢(shì)相等。勢(shì)相等。v把半徑恰為把半徑恰為r*的晶核稱(chēng)為臨界晶的晶核稱(chēng)為臨界晶核，而核，而r*稱(chēng)為稱(chēng)為臨界晶核半徑臨界晶核半徑。圖 晶胚形成時(shí)系統(tǒng)自由能的變化與半徑的關(guān)系23434rGrGVrGrdrGdV8420drGdmmVTTLGTLTrmmc2隨著過(guò)冷度的增隨著過(guò)冷度的增加，臨界晶核半加，臨界晶核半徑減小，形核的徑減小，形核的幾率增加。幾率增加。ur r*的晶核長(zhǎng)大的晶核長(zhǎng)大時(shí)，雖然可以使系統(tǒng)自由能下降，但形時(shí)，雖然可以使系統(tǒng)自由能下降，但形成一個(gè)臨界晶核本

15、身要引起系統(tǒng)自由能增加成一個(gè)臨界晶核本身要引起系統(tǒng)自由能增加GC，說(shuō)明臨，說(shuō)明臨界晶核的形成是需要能量的。界晶核的形成是需要能量的。VcGr223434rGrGVcmmVcATLTGG31)(316)(31622323u形成臨界晶核時(shí)，液、固兩相之間的自由能差只提供所需形成臨界晶核時(shí)，液、固兩相之間的自由能差只提供所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能量起伏來(lái)提供。量起伏來(lái)提供。u能量起伏能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系的是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系的平均能量，而且微小體積的能量處于時(shí)起時(shí)伏，此起彼優(yōu)

16、狀平均能量，而且微小體積的能量處于時(shí)起時(shí)伏，此起彼優(yōu)狀態(tài)的現(xiàn)象。態(tài)的現(xiàn)象。u能量起伏包括兩個(gè)含義：能量起伏包括兩個(gè)含義：一是在瞬時(shí)，各微觀體積的一是在瞬時(shí)，各微觀體積的能量不同，二是對(duì)某一微觀能量不同，二是對(duì)某一微觀體積，在不同瞬時(shí)，能量分體積，在不同瞬時(shí)，能量分布不同。在具有高能量的微布不同。在具有高能量的微觀地區(qū)生核，可以全部補(bǔ)償觀地區(qū)生核，可以全部補(bǔ)償表面能，使表面能，使G0。 圖 液相的能量起伏 u液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序。u由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，它們只能維持短暫的時(shí)間很快就消失，由于原子的熱運(yùn)動(dòng)，它們只能維持短暫的時(shí)間很快就消失，同時(shí)在其它地

17、方又會(huì)出現(xiàn)新的尺寸不等的規(guī)則排列的原子團(tuán)，同時(shí)在其它地方又會(huì)出現(xiàn)新的尺寸不等的規(guī)則排列的原子團(tuán)，然后又立即消失。然后又立即消失。u液態(tài)金屬中的規(guī)則排列的原子團(tuán)總是處于時(shí)起時(shí)伏，此起液態(tài)金屬中的規(guī)則排列的原子團(tuán)總是處于時(shí)起時(shí)伏，此起彼伏的變化之中，人們把液態(tài)金屬中這種規(guī)則排列原子團(tuán)的彼伏的變化之中，人們把液態(tài)金屬中這種規(guī)則排列原子團(tuán)的起伏現(xiàn)象稱(chēng)為相起伏或結(jié)構(gòu)起伏。起伏現(xiàn)象稱(chēng)為相起伏或結(jié)構(gòu)起伏。u相起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。當(dāng)把金屬熔液過(guò)冷到熔點(diǎn)以下相起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。當(dāng)把金屬熔液過(guò)冷到熔點(diǎn)以下時(shí)，這種規(guī)則排列的原子團(tuán)被凍結(jié)下來(lái)，成為規(guī)則排列的固時(shí)，這種規(guī)則排列的原子團(tuán)被凍結(jié)下來(lái)，成為規(guī)則排列的固

18、相，就有可能成為均勻形核的胚芽，故稱(chēng)為晶胚。相，就有可能成為均勻形核的胚芽，故稱(chēng)為晶胚。圖 最大晶胚尺寸（a）和臨界晶核半徑（b）與過(guò)冷度的關(guān)系uT =Tk時(shí)，時(shí)， rmax=rk ，最大晶核剛好能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，最大晶核剛好能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，把這樣的過(guò)冷度稱(chēng)為把這樣的過(guò)冷度稱(chēng)為臨界過(guò)冷度臨界過(guò)冷度。u過(guò)冷度必須大于形核所需要的臨界過(guò)冷度，這是過(guò)冷度必須大于形核所需要的臨界過(guò)冷度，這是結(jié)晶的動(dòng)結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件力學(xué)條件。思考題思考題v試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條試述結(jié)晶相變的熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。件。v分析結(jié)晶相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條分析結(jié)晶

19、相變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學(xué)條件為件為G0。只有過(guò)冷，才能使。只有過(guò)冷，才能使G0。v動(dòng)力學(xué)條件為液相的過(guò)冷度必須大于形核所需的臨界過(guò)冷動(dòng)力學(xué)條件為液相的過(guò)冷度必須大于形核所需的臨界過(guò)冷度。度。v由臨界晶核形成功可知，當(dāng)形成臨界晶核時(shí)，還有由臨界晶核形成功可知，當(dāng)形成臨界晶核時(shí)，還有1/3的的表面能必須內(nèi)液體中的能量起伏來(lái)提供。表面能必須內(nèi)液體中的能量起伏來(lái)提供。v 液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)，因液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)，因此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過(guò)程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過(guò)程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。u2.2.形核率形核率u形核率受兩個(gè)互

20、相矛盾的因素控制：一方面從熱力學(xué)考慮，形核率受兩個(gè)互相矛盾的因素控制：一方面從熱力學(xué)考慮，過(guò)冷度愈大，晶核的臨界半徑及臨界形核功愈小，因而需要過(guò)冷度愈大，晶核的臨界半徑及臨界形核功愈小，因而需要的能量起伏小，則形核率愈高；的能量起伏小，則形核率愈高；u但另一方面從動(dòng)力學(xué)考慮，過(guò)冷度愈大，原子活動(dòng)能力愈小，但另一方面從動(dòng)力學(xué)考慮，過(guò)冷度愈大，原子活動(dòng)能力愈小，原子從液相轉(zhuǎn)移到臨界晶核上的幾率減小，不利于穩(wěn)定晶核原子從液相轉(zhuǎn)移到臨界晶核上的幾率減小，不利于穩(wěn)定晶核形成，則形核率愈低。形成，則形核率愈低。u綜合考慮上述兩個(gè)方面，形核率可用下式表示：綜合考慮上述兩個(gè)方面，形核率可用下式表示：u N N

21、N N1 1N N2 2 u式中式中N為總的形核率，為總的形核率，N1為受形核功影響的形核率因子，為受形核功影響的形核率因子，N2為受原子擴(kuò)散影響的形核率因子。為受原子擴(kuò)散影響的形核率因子。 圖 溫度對(duì)N1、N2的影響（a）和形核率與溫度的關(guān)系（b） 圖 不同結(jié)晶溫度下r和G的關(guān)系圖 非均勻形核示意圖 VLcGr23.3.2 3.3.2 非均勻形核非均勻形核均勻形核需要很大的過(guò)冷度，均勻形核需要很大的過(guò)冷度，如純鋁為如純鋁為130130，純鐵，純鐵295 295 ，而實(shí)際形核過(guò)冷度而實(shí)際形核過(guò)冷度一般不超過(guò)一般不超過(guò)2020。原因是非均勻形核。原因是非均勻形核。）（均非4coscos323cc

22、GG圖 不同潤(rùn)濕角的晶核形貌 v當(dāng)當(dāng)0時(shí)，則時(shí)，則G*非非0，說(shuō)明固體雜質(zhì)或型壁可作為現(xiàn)，說(shuō)明固體雜質(zhì)或型壁可作為現(xiàn)成晶核，這是無(wú)核長(zhǎng)大的情況，如圖成晶核，這是無(wú)核長(zhǎng)大的情況，如圖a所示。所示。v當(dāng)當(dāng)時(shí)，則時(shí)，則G*非非G*均均。v當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，G*非非G*均均，這便是非均勻形核的條件，這便是非均勻形核的條件，如圖如圖b所示。所示。v非均勻形核時(shí)的形核率表達(dá)式與均勻形核相似。只是由于非均勻形核時(shí)的形核率表達(dá)式與均勻形核相似。只是由于G*非非G*均均，所以非均勻形核可在較小過(guò)冷度下獲得較高，所以非均勻形核可在較小過(guò)冷度下獲得較高的形核率。的形核率。v非均勻形核的最大形核率小于均勻形核。其原因是

23、非均勻非均勻形核的最大形核率小于均勻形核。其原因是非均勻形核需要合適的形核需要合適的“基底基底”，而基底數(shù)量是有限的，當(dāng)新相晶，而基底數(shù)量是有限的，當(dāng)新相晶核很快地覆蓋基底時(shí)，使適合新相形核的基底大為減少。核很快地覆蓋基底時(shí)，使適合新相形核的基底大為減少。v不是任何固體雜質(zhì)均能作為非均勻形核的基底促進(jìn)非均勻不是任何固體雜質(zhì)均能作為非均勻形核的基底促進(jìn)非均勻形核。只有那些與晶核的晶體結(jié)構(gòu)相似，點(diǎn)陣常數(shù)相近的固形核。只有那些與晶核的晶體結(jié)構(gòu)相似，點(diǎn)陣常數(shù)相近的固體雜質(zhì)才能促進(jìn)非均勻形核，這樣可以減小固體雜質(zhì)與晶核體雜質(zhì)才能促進(jìn)非均勻形核，這樣可以減小固體雜質(zhì)與晶核之間的表面張力，從而減小之間的表面

24、張力，從而減小角以減小角以減小G*非非。圖非均勻形核功與均勻形核功對(duì)比的示意圖圖 均勻形核率和非均勻形核率隨過(guò)冷度變化的對(duì)比 3.5 晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大圖 液-固界面上的原子遷移 v一旦核心形成后，晶核就繼續(xù)長(zhǎng)大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就繼續(xù)長(zhǎng)大而形成晶粒。v系統(tǒng)總自由能隨晶體體積的增加而下降是晶體長(zhǎng)大系統(tǒng)總自由能隨晶體體積的增加而下降是晶體長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力。的驅(qū)動(dòng)力。晶體的長(zhǎng)大過(guò)程可以看作是晶體的長(zhǎng)大過(guò)程可以看作是液相中原子液相中原子向晶核表面遷移向晶核表面遷移、液液- -固界面向液相不斷推進(jìn)的過(guò)程固界面向液相不斷推進(jìn)的過(guò)程。圖 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)示意圖3.5.

25、1 液液- -固界面的微觀結(jié)構(gòu)固界面的微觀結(jié)構(gòu)u固固-液界面按微觀結(jié)構(gòu)可分為液界面按微觀結(jié)構(gòu)可分為光滑界面光滑界面和和粗糙界面粗糙界面。u光滑界面光滑界面是指固相表面為基本完整的原子密排面，是指固相表面為基本完整的原子密排面，固液兩相截然分開(kāi)，從微觀上看界面是光滑的。但從固液兩相截然分開(kāi)，從微觀上看界面是光滑的。但從宏觀來(lái)看，界面呈鋸齒狀的折線。宏觀來(lái)看，界面呈鋸齒狀的折線。u粗糙界面粗糙界面在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個(gè)原子在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個(gè)原子厚度的過(guò)渡層。但是宏觀上看，界面反而是平直的。厚度的過(guò)渡層。但是宏觀上看，界面反而是平直的。u光滑界面和粗糙截面是根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分

26、類(lèi)的，光滑界面和粗糙截面是根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)的，光滑界面在微觀上是光滑的，在宏觀上是粗糙的；粗光滑界面在微觀上是光滑的，在宏觀上是粗糙的；粗糙界面在微觀上是粗糙的，在宏觀上是光滑的。糙界面在微觀上是粗糙的，在宏觀上是光滑的。u假設(shè)界面上可能的原子位置數(shù)為假設(shè)界面上可能的原子位置數(shù)為N，其中，其中NA個(gè)位置為固相個(gè)位置為固相原子所占據(jù)，那么界面上被固相原子占據(jù)的位置的比例為原子所占據(jù)，那么界面上被固相原子占據(jù)的位置的比例為x= NA/N。u如果如果x=50%，即界面上有，即界面上有50%的位置為固相原子所占據(jù)，的位置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面為粗糙界面；如果界面上有近于這樣的截面為粗糙界面；

27、如果界面上有近于0%或或100%的位的位置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面為光滑界面。置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面為光滑界面。u界面的平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)該是界面能最低的結(jié)構(gòu)，在光滑界面上界面的平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)該是界面能最低的結(jié)構(gòu)，在光滑界面上任意添加原子時(shí)，其界面自由能的變化任意添加原子時(shí)，其界面自由能的變化杰克遜因子波爾茲曼常數(shù)akxxxxxxNkTGms,)1ln()1(ln)1(不同值下GS(NkTm)與x的關(guān)系 u2時(shí)，在時(shí)，在x0.5處，界面處，界面能具有極小值，這意味著界面能具有極小值，這意味著界面上約有一半的原子位置被固相上約有一半的原子位置被固相原子占據(jù)著，形成粗糙界面。原子占據(jù)著，形成粗糙界

28、面。 u5時(shí)，在時(shí)，在Pl和和P0處，界處，界面能具有兩個(gè)極小值，這表明面能具有兩個(gè)極小值，這表明界面上絕大多數(shù)原子位置被固界面上絕大多數(shù)原子位置被固相原子占據(jù)或空著，為光滑界相原子占據(jù)或空著，為光滑界面。面。u金屬一般為粗糙界面，高分金屬一般為粗糙界面，高分子往往為光滑界面。子往往為光滑界面。u晶核長(zhǎng)大機(jī)制是指在結(jié)晶過(guò)程晶體結(jié)晶面的生長(zhǎng)方式，晶核長(zhǎng)大機(jī)制是指在結(jié)晶過(guò)程晶體結(jié)晶面的生長(zhǎng)方式，與其液與其液-固相界面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。固相界面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖 溫度對(duì)晶核熔化和長(zhǎng)大的影響 3.5.2 晶核的長(zhǎng)大機(jī)制晶核的長(zhǎng)大機(jī)制u1.1.具有粗糙界面的物質(zhì)的長(zhǎng)大機(jī)制具有粗糙界面的物質(zhì)的長(zhǎng)大機(jī)制u具有粗糙界面

29、的物質(zhì)，液具有粗糙界面的物質(zhì)，液-固相界面上有大約一半的原子固相界面上有大約一半的原子位置是空的，液相中的原子可隨機(jī)地添加在界面的空位置位置是空的，液相中的原子可隨機(jī)地添加在界面的空位置上而成為固相原子。晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為垂直生長(zhǎng)機(jī)上而成為固相原子。晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為垂直生長(zhǎng)機(jī)制，其長(zhǎng)大速度很快。制，其長(zhǎng)大速度很快。 圖 晶體的垂直長(zhǎng)大方式示意圖 v2.2.具有光滑界面的物質(zhì)的長(zhǎng)大機(jī)制具有光滑界面的物質(zhì)的長(zhǎng)大機(jī)制v（1 1）二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)模型）二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)模型v首先在平整界面上通過(guò)均勻形核形成一個(gè)具有單原子厚度首先在平整界面上通過(guò)均勻形核形成一個(gè)具有單原子厚度的二維晶核，然后液相

30、中的原子不斷地依附在二維晶核周?chē)亩S晶核，然后液相中的原子不斷地依附在二維晶核周?chē)呐_(tái)階上，使二維晶核很快地向四周橫向擴(kuò)展而覆蓋了整個(gè)的臺(tái)階上，使二維晶核很快地向四周橫向擴(kuò)展而覆蓋了整個(gè)晶體表面。接著在新的界面上又形成新的二維晶核，并向橫晶體表面。接著在新的界面上又形成新的二維晶核，并向橫向擴(kuò)展而長(zhǎng)滿一層。向擴(kuò)展而長(zhǎng)滿一層。v晶體中不同生長(zhǎng)晶面族中，原子最密排面的面距最大。在晶體中不同生長(zhǎng)晶面族中，原子最密排面的面距最大。在晶體生長(zhǎng)中過(guò)程，不同晶面族的晶面沿其法線方向的生長(zhǎng)速晶體生長(zhǎng)中過(guò)程，不同晶面族的晶面沿其法線方向的生長(zhǎng)速度不同。生長(zhǎng)速度較慢的非原子密排面逐漸被生長(zhǎng)速度較快度不同。生長(zhǎng)速

31、度較慢的非原子密排面逐漸被生長(zhǎng)速度較快的原子密排面所淹沒(méi)。的原子密排面所淹沒(méi)。 圖 二維晶核長(zhǎng)大示意圖 v（2 2）晶體缺陷臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制晶體缺陷臺(tái)階生長(zhǎng)機(jī)制v 由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強(qiáng)由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強(qiáng)的過(guò)冷條件的過(guò)冷條件，長(zhǎng)大速率很慢，長(zhǎng)大速率很慢。v如果結(jié)晶過(guò)程中，在晶體表面存在著垂直于界面的螺位錯(cuò)如果結(jié)晶過(guò)程中，在晶體表面存在著垂直于界面的螺位錯(cuò)露頭，那么液相原子或二維晶核就會(huì)優(yōu)先附在這些地方。液露頭，那么液相原子或二維晶核就會(huì)優(yōu)先附在這些地方。液相原子不斷地添加到由螺位錯(cuò)露頭形成的臺(tái)階上，界面以臺(tái)相原子不斷地添加到由螺位錯(cuò)露頭形成的

32、臺(tái)階上，界面以臺(tái)階機(jī)制生長(zhǎng)和按螺旋方式連續(xù)地掃過(guò)界面，在成長(zhǎng)的界面上階機(jī)制生長(zhǎng)和按螺旋方式連續(xù)地掃過(guò)界面，在成長(zhǎng)的界面上將形成螺旋新臺(tái)階。這種生長(zhǎng)是連續(xù)的。將形成螺旋新臺(tái)階。這種生長(zhǎng)是連續(xù)的。圖 螺旋長(zhǎng)大的SiC晶體圖 螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制 u純金屬凝固時(shí)晶體的生長(zhǎng)形態(tài)取決于界面的微觀結(jié)構(gòu)和界純金屬凝固時(shí)晶體的生長(zhǎng)形態(tài)取決于界面的微觀結(jié)構(gòu)和界面前沿液相中的溫度分布。面前沿液相中的溫度分布。3.5.3 純金屬的生長(zhǎng)形態(tài)純金屬的生長(zhǎng)形態(tài)圖 兩種溫度分布方式(a) 正溫度梯度 (b) 負(fù)溫度梯度 思考題思考題v為什么會(huì)出現(xiàn)負(fù)的溫度梯度？為什么會(huì)出現(xiàn)負(fù)的溫度梯度？v 液態(tài)金屬在鑄模中凝固時(shí)，往往由于模壁溫

33、度比較低，使液態(tài)金屬在鑄模中凝固時(shí)，往往由于模壁溫度比較低，使靠近模壁的液體首先過(guò)冷而凝固。而在鑄模中心的液體溫度靠近模壁的液體首先過(guò)冷而凝固。而在鑄模中心的液體溫度最高，液體的熱量和結(jié)晶潛熱通過(guò)固相和模壁傳導(dǎo)而迅速散最高，液體的熱量和結(jié)晶潛熱通過(guò)固相和模壁傳導(dǎo)而迅速散出，這樣就造成了液出，這樣就造成了液-固相界面前沿液體的溫度分布為正的固相界面前沿液體的溫度分布為正的溫度梯度。溫度梯度。 v在緩慢冷卻條件下，液體內(nèi)部的溫度分布比較均勻并同時(shí)在緩慢冷卻條件下，液體內(nèi)部的溫度分布比較均勻并同時(shí)過(guò)冷到某一溫度。這時(shí)在模壁上的液體首先開(kāi)始形核長(zhǎng)大，過(guò)冷到某一溫度。這時(shí)在模壁上的液體首先開(kāi)始形核長(zhǎng)大，

34、液液-固相界面上所產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱將同時(shí)通過(guò)固相和液相傳固相界面上所產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱將同時(shí)通過(guò)固相和液相傳導(dǎo)散出，這樣使得界面前沿的液體中產(chǎn)生負(fù)的溫度梯度。導(dǎo)散出，這樣使得界面前沿的液體中產(chǎn)生負(fù)的溫度梯度。 u1.1.在正的溫度梯度下在正的溫度梯度下u1 1）粗糙界面時(shí)）粗糙界面時(shí)u對(duì)于粗糙界面的晶體，其生長(zhǎng)界面以垂直長(zhǎng)大方式推進(jìn)。對(duì)于粗糙界面的晶體，其生長(zhǎng)界面以垂直長(zhǎng)大方式推進(jìn)。由于前方液體溫度高，所以生長(zhǎng)界面只能隨前方液體的逐漸由于前方液體溫度高，所以生長(zhǎng)界面只能隨前方液體的逐漸冷卻而均勻地向前推移。整個(gè)液冷卻而均勻地向前推移。整個(gè)液-固相界面保持穩(wěn)定的平面固相界面保持穩(wěn)定的平面狀態(tài)，不產(chǎn)生明

35、顯的突起。狀態(tài)，不產(chǎn)生明顯的突起。u2 2）光滑界面時(shí)）光滑界面時(shí)u對(duì)于光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長(zhǎng)界面以小平面臺(tái)階生長(zhǎng)對(duì)于光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，其生長(zhǎng)界面以小平面臺(tái)階生長(zhǎng)方式推進(jìn)。小平面臺(tái)階的擴(kuò)展同樣不能伸入到前方溫度高于方式推進(jìn)。小平面臺(tái)階的擴(kuò)展同樣不能伸入到前方溫度高于Tm的液體中去，因此，從宏觀來(lái)看液的液體中去，因此，從宏觀來(lái)看液-固相界面似與固相界面似與Tm等溫等溫線平行，但小平面與線平行，但小平面與Tm等溫線呈一定角度等溫線呈一定角度。 u在正的溫度梯度下，晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為平面狀生長(zhǎng)。在正的溫度梯度下，晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為平面狀生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)方向與散熱方向相反，生長(zhǎng)速度取決于固

36、相的散熱晶體生長(zhǎng)方向與散熱方向相反，生長(zhǎng)速度取決于固相的散熱速度。速度。 圖 正溫度梯度下兩種界面形態(tài) (a) 粗糙界面 (b) 光滑界面v2.2.在負(fù)的溫度梯度下在負(fù)的溫度梯度下v晶體生長(zhǎng)界面一旦出現(xiàn)局部凸出生長(zhǎng)，由于前方液體具有晶體生長(zhǎng)界面一旦出現(xiàn)局部凸出生長(zhǎng)，由于前方液體具有更大的過(guò)冷度而使其生長(zhǎng)速度增加。在這種情況下，生長(zhǎng)界更大的過(guò)冷度而使其生長(zhǎng)速度增加。在這種情況下，生長(zhǎng)界面就不可能繼續(xù)保持平面狀而會(huì)形成許多伸向液體的結(jié)晶軸，面就不可能繼續(xù)保持平面狀而會(huì)形成許多伸向液體的結(jié)晶軸，同時(shí)在晶軸上又會(huì)發(fā)展出二次晶軸、三次晶軸等等。同時(shí)在晶軸上又會(huì)發(fā)展出二次晶軸、三次晶軸等等。v晶體的這種生

37、長(zhǎng)方式稱(chēng)為晶體的這種生長(zhǎng)方式稱(chēng)為樹(shù)枝狀生長(zhǎng)樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。在樹(shù)枝晶生長(zhǎng)時(shí)，。在樹(shù)枝晶生長(zhǎng)時(shí)，伸展的晶軸具有一定的晶體取向以降低界面能。伸展的晶軸具有一定的晶體取向以降低界面能。v在負(fù)的溫度梯度下，對(duì)于粗糙界面結(jié)構(gòu)的金屬晶體，明顯在負(fù)的溫度梯度下，對(duì)于粗糙界面結(jié)構(gòu)的金屬晶體，明顯以樹(shù)枝狀方式生長(zhǎng)。對(duì)于光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，仍以平面生以樹(shù)枝狀方式生長(zhǎng)。對(duì)于光滑界面結(jié)構(gòu)的晶體，仍以平面生長(zhǎng)方式為主（即樹(shù)枝狀生長(zhǎng)方式不很明顯），某些亞金屬則長(zhǎng)方式為主（即樹(shù)枝狀生長(zhǎng)方式不很明顯），某些亞金屬則具有小平面的樹(shù)枝狀結(jié)晶特征。具有小平面的樹(shù)枝狀結(jié)晶特征。 圖 樹(shù)枝生長(zhǎng)示意圖 圖 樹(shù)枝狀長(zhǎng)大的晶粒示意圖3.6. 3.

38、6. 晶粒大小的控制晶粒大小的控制表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。1.1.晶粒度晶粒度工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分8 8級(jí)級(jí)，1-41-4級(jí)級(jí)為粗晶粒為粗晶粒，5-85-8級(jí)為細(xì)晶粒。級(jí)為細(xì)晶粒。通過(guò)通過(guò)100100倍顯微鏡下的晶粒大倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。小與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)照來(lái)評(píng)級(jí)。2. 晶粒大小力學(xué)性能的影響晶粒大小力學(xué)性能的影響-細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化：細(xì)晶強(qiáng)化：金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高

39、，同金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。時(shí)塑性韌性也越好。稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。通過(guò)控制鑄造和焊通過(guò)控制鑄造和焊接時(shí)的結(jié)晶條件來(lái)控制晶粒度的大小，便成為改善機(jī)械接時(shí)的結(jié)晶條件來(lái)控制晶粒度的大小，便成為改善機(jī)械性能的重要手段。性能的重要手段。金屬結(jié)晶時(shí)，每個(gè)晶粒都是由一個(gè)晶核長(zhǎng)大而成的。金屬結(jié)晶時(shí)，每個(gè)晶粒都是由一個(gè)晶核長(zhǎng)大而成的。晶晶粒的大小取決于形核率和長(zhǎng)大速度的相對(duì)大小。粒的大小取決于形核率和長(zhǎng)大速度的相對(duì)大小。形核率形核率越大，則單位體積中晶核數(shù)目越多，每個(gè)晶核的長(zhǎng)大余越大，則單位體積中晶核數(shù)目越多，每個(gè)晶核的長(zhǎng)大余地越小，因而長(zhǎng)成的晶粒越細(xì)小地越小，因而長(zhǎng)成的

40、晶粒越細(xì)小。反之，形核率越小而。反之，形核率越小而長(zhǎng)大速度越大，則會(huì)得到越粗大的晶粒。長(zhǎng)大速度越大，則會(huì)得到越粗大的晶粒。3. 決定晶粒度的因素決定晶粒度的因素單位體積中的晶粒數(shù)目單位體積中的晶粒數(shù)目Z ZV V因此，晶粒度取決于形核率因此，晶粒度取決于形核率N和和長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G之比，之比，N/G比值越大，比值越大，晶粒越細(xì)小。晶粒越細(xì)小。4. 控制鑄件晶粒度的方法控制鑄件晶粒度的方法2）變質(zhì)處理：）變質(zhì)處理：就是在液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑，就是在液態(tài)金屬中加入變質(zhì)劑，在金屬液中形成大量的固體質(zhì)點(diǎn)，起非自發(fā)形在金屬液中形成大量的固體質(zhì)點(diǎn)，起非自發(fā)形核的作用，促進(jìn)形核，抑制長(zhǎng)大，從而達(dá)到細(xì)核的作

41、用，促進(jìn)形核，抑制長(zhǎng)大，從而達(dá)到細(xì)化晶粒，改善性能的目的?；Я?，改善性能的目的。如在鋁或鋁合金中如在鋁或鋁合金中加入微量鈦，鋼中加入微量鈦、鋁等，就是變加入微量鈦，鋼中加入微量鈦、鋁等，就是變質(zhì)處理的典型例子。質(zhì)處理的典型例子。1）控制過(guò)冷度控制過(guò)冷度： 過(guò)冷度增加，N/G值增加，晶粒變細(xì)。V冷冷TN晶粒細(xì)小晶粒細(xì)小N/G3）振動(dòng)、攪拌處理）振動(dòng)、攪拌處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，采在液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)或電磁攪拌處理等用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)或電磁攪拌處理等方法，可獲得細(xì)小的晶粒。方法，可獲得細(xì)小的晶粒。振動(dòng)、攪拌的細(xì)振動(dòng)、攪拌的細(xì)化作用是通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行的：一方面可靠化作用是

42、通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行的：一方面可靠外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可外部輸入的能量來(lái)促進(jìn)形核，另一方面也可使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。3.7. 3.7. 金屬鑄錠金屬鑄錠( (件件) )組織與缺陷組織與缺陷 在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。鑄錠( (件件) )的組的組織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影織及其存在的缺陷對(duì)其加工和使用性能有著直接的影響。響。1. 金屬鑄錠組織的形成金屬鑄錠組織的形成

43、金屬鑄錠通常由三個(gè)晶粒區(qū)所組成：金屬鑄錠通常由三個(gè)晶粒區(qū)所組成：表面細(xì)晶區(qū)表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)和和中心等軸中心等軸晶區(qū)晶區(qū) 1）表面細(xì)晶區(qū)）表面細(xì)晶區(qū) （ chill zone ）當(dāng)液態(tài)金屬注入金屬錠模后，當(dāng)液態(tài)金屬注入金屬錠模后，由于模壁溫度較低，使與它接由于模壁溫度較低，使與它接觸的很薄一層液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)觸的很薄一層液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)烈的過(guò)冷，形成大量的晶核，烈的過(guò)冷，形成大量的晶核，這些品核迅速生長(zhǎng)到互相接觸，這些品核迅速生長(zhǎng)到互相接觸，因此鑄錠表層獲得了細(xì)小的等因此鑄錠表層獲得了細(xì)小的等軸晶粒。軸晶粒。 2 2）柱狀晶區(qū)）柱狀晶區(qū)（ columnar zone ）在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)

44、，模壁溫度不斷升高，使剩余液在細(xì)晶區(qū)形成的同時(shí)，模壁溫度不斷升高，使剩余液態(tài)金屬的冷卻逐漸減慢，并且由于結(jié)晶潛熱的釋放，態(tài)金屬的冷卻逐漸減慢，并且由于結(jié)晶潛熱的釋放，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核變得困難，而使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過(guò)冷度減小，形核變得困難，而細(xì)晶區(qū)已生成的晶粒，可以繼續(xù)向液體中生長(zhǎng)。由于細(xì)晶區(qū)已生成的晶粒，可以繼續(xù)向液體中生長(zhǎng)。由于垂直于模壁方向的散熱速度最快，那些晶軸與模壁垂垂直于模壁方向的散熱速度最快，那些晶軸與模壁垂直的晶粒就會(huì)沿著散熱相反方向擇優(yōu)長(zhǎng)大，從而獲得直的晶粒就會(huì)沿著散熱相反方向擇優(yōu)長(zhǎng)大，從而獲得了柱狀晶區(qū)。了柱狀晶區(qū)。 3 3）中心等軸晶區(qū)）中心等軸晶區(qū) （e

45、quiaxed crystal zone ）隨柱狀晶區(qū)的長(zhǎng)大，模壁溫度升高，散熱的方向性已不隨柱狀晶區(qū)的長(zhǎng)大，模壁溫度升高，散熱的方向性已不明顯，同時(shí)錠模中心部分的液態(tài)金屬的溫度逐漸降低并明顯，同時(shí)錠模中心部分的液態(tài)金屬的溫度逐漸降低并漸趨均勻，最終幾乎同時(shí)進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)，并以非均勻方漸趨均勻，最終幾乎同時(shí)進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)，并以非均勻方式形核，由于在不同方向上的生長(zhǎng)速度相同，因而便形式形核，由于在不同方向上的生長(zhǎng)速度相同，因而便形成了等軸晶粒。中心部分的液態(tài)金屬的冷卻速度較慢，成了等軸晶粒。中心部分的液態(tài)金屬的冷卻速度較慢，過(guò)冷度較小，故晶粒就較粗大。過(guò)冷度較小，故晶粒就較粗大。 2. 2. 鑄錠組

46、織的性能鑄錠組織的性能鑄錠的細(xì)晶粒鑄錠的細(xì)晶粒，組織較致密，機(jī)械性能，組織較致密，機(jī)械性能較好。但由于細(xì)晶區(qū)總是比較薄的，故對(duì)較好。但由于細(xì)晶區(qū)總是比較薄的，故對(duì)整個(gè)鑄錠的性能影響不大。整個(gè)鑄錠的性能影響不大。 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)，相互平行的柱狀晶的接觸面及相鄰垂直相互平行的柱狀晶的接觸面及相鄰垂直的技狀晶區(qū)的交界面較為脆弱，并常聚集著易熔雜質(zhì)的技狀晶區(qū)的交界面較為脆弱，并常聚集著易熔雜質(zhì)和非會(huì)屬夾雜物，使鑄錠在熱壓力加工時(shí)，容易沿這和非會(huì)屬夾雜物，使鑄錠在熱壓力加工時(shí)，容易沿這些脆弱面開(kāi)裂些脆弱面開(kāi)裂。因此鋼錠一般不希望柱狀晶區(qū)過(guò)大。因此鋼錠一般不希望柱狀晶區(qū)過(guò)大。但柱狀晶組織比較致密。不易形

47、成疏松。對(duì)塑性較好但柱狀晶組織比較致密。不易形成疏松。對(duì)塑性較好的有色金屬，為了獲得較致密的鑄錠。反而使柱狀晶的有色金屬，為了獲得較致密的鑄錠。反而使柱狀晶區(qū)擴(kuò)大。因?yàn)槠浔旧砭哂辛己玫乃苄?，不易發(fā)生開(kāi)裂。區(qū)擴(kuò)大。因?yàn)槠浔旧砭哂辛己玫乃苄?，不易發(fā)生開(kāi)裂。 等軸晶區(qū)等軸晶區(qū)由于在結(jié)晶時(shí)沒(méi)有擇優(yōu)取向，故不存在上由于在結(jié)晶時(shí)沒(méi)有擇優(yōu)取向，故不存在上述那種脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)咬述那種脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交錯(cuò)咬合，各方向上的機(jī)械性能均較好。但由于各個(gè)等軸晶合，各方向上的機(jī)械性能均較好。但由于各個(gè)等軸晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中互相交叉，有可能造成許多封閉的小粒在生長(zhǎng)過(guò)程中互相交叉，有可

48、能造成許多封閉的小區(qū)，并將殘留在這些小區(qū)中的液體相互隔絕起來(lái)。當(dāng)區(qū)，并將殘留在這些小區(qū)中的液體相互隔絕起來(lái)。當(dāng)這些液體結(jié)晶收縮時(shí)，由于得不到外界液體的補(bǔ)充。這些液體結(jié)晶收縮時(shí)，由于得不到外界液體的補(bǔ)充。就形成很多微小的縮孔（縮松）。因此，等軸晶區(qū)的就形成很多微小的縮孔（縮松）。因此，等軸晶區(qū)的組織就比較疏松。這又使該區(qū)的機(jī)械性能降低。組織就比較疏松。這又使該區(qū)的機(jī)械性能降低。 3. 3. 鑄錠組織的控制鑄錠組織的控制合金鑄錠的組織與合金成合金鑄錠的組織與合金成分和澆注條件等因素有關(guān)。分和澆注條件等因素有關(guān)。一般一般提高澆注溫度、加快提高澆注溫度、加快冷卻速度和采用方向性散冷卻速度和采用方向性散

49、熱等措施，都有利于柱狀熱等措施，都有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。晶區(qū)的發(fā)展。而而澆注溫度澆注溫度低、冷卻速度慢、均勻散低、冷卻速度慢、均勻散熱、變質(zhì)處理和附加振動(dòng)、熱、變質(zhì)處理和附加振動(dòng)、攪拌等則有利于等軸晶區(qū)攪拌等則有利于等軸晶區(qū)的發(fā)展的發(fā)展。 4. 4. 鑄錠缺陷鑄錠缺陷鑄造缺陷的類(lèi)型較多，鑄造缺陷的類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有常見(jiàn)的有縮孔、氣孔、疏松、縮孔、氣孔、疏松、偏析、夾渣、白點(diǎn)偏析、夾渣、白點(diǎn)等等，它們對(duì)性能是有害的。，它們對(duì)性能是有害的。1 1、縮孔：、縮孔：縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮縮孔是由于液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)體積收縮且補(bǔ)縮不足造成的?？赏ㄟ^(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等不足造成的?？?/p>

50、通過(guò)改變結(jié)晶時(shí)的冷卻條件和加冒口等來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除。來(lái)進(jìn)行控制。鋼錠出現(xiàn)縮孔在鍛軋前應(yīng)切除。2 2、疏松、疏松疏松疏松是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞?？锥?。當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，凝固過(guò)程中，隨著樹(shù)枝晶長(zhǎng)凝固過(guò)程中，隨著樹(shù)枝晶長(zhǎng)大，該區(qū)域被分割成許多孤大，該區(qū)域被分割成許多孤立的小熔池，各部分熔池內(nèi)立的小熔池，各部分熔池內(nèi)剩余液態(tài)合金的收縮得不到剩余液態(tài)合金的收縮得不到補(bǔ)充，最后形成了形狀不一補(bǔ)充，最后形成了形狀

51、不一的分散性孔洞即縮松。的分散性孔洞即縮松。3 3、偏析：、偏析：合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象合金中各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和體積鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和體積質(zhì)量偏析三類(lèi)。質(zhì)量偏析三類(lèi)。 (1)晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析（又稱(chēng)（又稱(chēng)枝晶偏析枝晶偏析）是指晶粒內(nèi)各是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn) 象象，這種偏析出現(xiàn)在，這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方冷卻或孕育處理的方 法

52、。法。 (2)區(qū)域偏析區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學(xué)成分和是指鑄件截面的整體上化學(xué)成分和組織的不均勻組織的不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應(yīng)該。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應(yīng)該采取預(yù)防措施，如控制澆注溫度不要太高采取預(yù)防措施，如控制澆注溫度不要太高 ，采，采取快速冷卻使偏析來(lái)不及發(fā)生，或采取工藝措施取快速冷卻使偏析來(lái)不及發(fā)生，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部分接近同時(shí)凝固。分接近同時(shí)凝固。(3)比重偏析比重偏析 鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱(chēng)為比重偏析的現(xiàn)象稱(chēng)為比重偏析。為防止。為防止 比重偏析，

53、在澆比重偏析，在澆注時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杞饘僖夯蚣铀俸辖鹨旱睦鋮s，注時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杞饘僖夯蚣铀俸辖鹨旱睦鋮s， 使液相和固相來(lái)不及分離，凝固即告結(jié)束。使液相和固相來(lái)不及分離，凝固即告結(jié)束。4 4、氣孔、氣孔：氣孔是指液態(tài)金屬中溶：氣孔是指液態(tài)金屬中溶解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)解的氣體或反應(yīng)生成的氣體在結(jié)晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠晶時(shí)未逸出而存留于鑄錠( (件件) )中中的氣泡。鑄錠中的封閉的氣孔可的氣泡。鑄錠中的封閉的氣孔可在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣孔需在熱加工時(shí)焊合，張開(kāi)的氣孔需要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能要切除。鑄件中出現(xiàn)氣孔則只能報(bào)廢。報(bào)廢。鑄件中的氣孔鑄件中的氣孔3.8 結(jié)晶理論的某些實(shí)際應(yīng)用結(jié)晶理論

54、的某些實(shí)際應(yīng)用v定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。定向凝固方法有下降功率法和快速逐步凝固法。v下降功率法是將金屬液體注入帶水冷底板的鑄模中，然后，下降功率法是將金屬液體注入帶水冷底板的鑄模中，然后，切斷下部感應(yīng)圈的電流，再進(jìn)行上部感應(yīng)圈的功率調(diào)節(jié)，切斷下部感應(yīng)圈的電流，再進(jìn)行上部感應(yīng)圈的功率調(diào)節(jié)，使鑄模內(nèi)獲得陡峭的溫度梯度，在這種冷卻條件下得到垂使鑄模內(nèi)獲得陡峭的溫度梯度，在這種冷卻條件下得到垂直于水冷底板的柱狀晶。直于水冷底板的柱狀晶。 v快速逐步凝固法是將金屬液澆入帶水冷底板的鑄型后，保快速逐步凝固法是將金屬液澆入帶水冷底板的鑄型后，保持?jǐn)?shù)分鐘以達(dá)到熱穩(wěn)定，在這段時(shí)間內(nèi)沿鑄型軸上形

55、成一持?jǐn)?shù)分鐘以達(dá)到熱穩(wěn)定，在這段時(shí)間內(nèi)沿鑄型軸上形成一定的溫度梯度，當(dāng)水冷銅板一端開(kāi)始凝固后，將鑄型從爐定的溫度梯度，當(dāng)水冷銅板一端開(kāi)始凝固后，將鑄型從爐內(nèi)以一定速度牽出，使底端形核的晶體生長(zhǎng)成垂直于水冷內(nèi)以一定速度牽出，使底端形核的晶體生長(zhǎng)成垂直于水冷底板方向的柱狀晶。底板方向的柱狀晶。1 . 定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)圖 定向結(jié)晶裝置原理圖 v單晶體就是由一個(gè)晶粒組成的晶體。單晶體就是由一個(gè)晶粒組成的晶體。v單晶硅、鍺是制造大規(guī)模集成電路的基本材料。近百種氧單晶硅、鍺是制造大規(guī)模集成電路的基本材料。近百種氧化物單晶體如化物單晶體如TeO2，TiO2，LiTiO3，LiTaO3，PbGeO3，

56、KNbO3等可用于制造磁記錄、磁貯存原件、光記憶、光隔等可用于制造磁記錄、磁貯存原件、光記憶、光隔離、光變調(diào)等光學(xué)和光電元件和制造紅外檢測(cè)。離、光變調(diào)等光學(xué)和光電元件和制造紅外檢測(cè)。v目前，單晶材料已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及光通訊技目前，單晶材料已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)及光通訊技術(shù)、紅外遙感技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的材料。術(shù)、紅外遙感技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的材料。v制取單晶體的基本原理就是保證液體結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶制取單晶體的基本原理就是保證液體結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶核，再由這個(gè)晶核長(zhǎng)成一整塊單晶體。核，再由這個(gè)晶核長(zhǎng)成一整塊單晶體。2. 單晶體的制備單晶體的制備u1).垂直提拉法垂直提拉法u先用高頻或電阻加熱方法熔先用高頻或電阻加熱方法熔化坩堝中的材料，使液體保持化坩堝中的材料，使液體保持稍高于熔點(diǎn)的溫度。稍高于熔點(diǎn)的溫度。u然后將夾有一個(gè)籽晶的桿下然后將夾有一個(gè)籽晶的桿下移，使籽晶與液面接觸。移，使籽晶與液面接觸。u緩慢降低爐內(nèi)溫度，將籽晶緩慢降低爐內(nèi)溫度