山東大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》講義第4章 凝固

1、第4章 凝固1 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律凝固與結(jié)晶的概念和聯(lián)系。一、金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象二、金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象（一）冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度1冷卻曲線的測定：熱分析方法。2純金屬的冷卻曲線：問題：1）對(duì)冷卻曲線的解釋；2）為什么純金屬的冷卻曲線上會(huì)出現(xiàn)“平臺(tái)”？3）“平臺(tái)”對(duì)應(yīng)的溫度是否為金屬的熔點(diǎn)？（二）過冷現(xiàn)象與過冷度1過冷現(xiàn)象：2過冷度：T=Tm-Tn2 金屬結(jié)晶的基本條件一、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件相態(tài)的自由能：G=H-TS （H-焓；S-熵）dG=-SdT+VdP ，一般壓力視為常數(shù)，因此有：S表征系統(tǒng)中原子排列有序度的參數(shù)，恒為正值，并隨溫度升高而增加。因此，自由能隨溫度升高而降低。另外，液態(tài)的

2、熵值遠(yuǎn)大于固態(tài)的，且隨溫度的變化也比固態(tài)的大，因此，液態(tài)的自由能-溫度曲線的坡度較固態(tài)大，所以兩條曲線必然相交。交點(diǎn)即為熔點(diǎn)。（如右上圖所示）從液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)，其單位體積自由能變化（G）與過冷度（T）的關(guān)系為：G=GL-GSG=（HL-HS）-T（SL-SS）（式中HL-HS=Lm（熔化潛熱）當(dāng)T= Tm時(shí)，G=0，因此：SL-SS=Lm/Tm；當(dāng)T(dN/dT)M。動(dòng)態(tài)過冷度（Tk）：二、液-固界面的微觀結(jié)構(gòu) 光滑界面：液-固界面上的原子排列比較有規(guī)則，界面處兩相截然分開。微觀上界面是光滑的，而紅光宏觀上界面往往由若干小平面組成。 粗糙界面：液-固界面上的原子排列比較混亂，僅在幾個(gè)原子厚度

3、的界面上，液、固兩相原子應(yīng)各占位置的一半。但宏觀上界面比較平直，不出現(xiàn)曲折的小平面 （P98圖3-22）三、晶體長大機(jī)制（一）垂直長大方式：針對(duì)粗糙界面提出的。（二）橫向長大方式：針對(duì)光滑界面結(jié)構(gòu)提出的。1二維晶核臺(tái)階生長機(jī)制：需要較大的形核功，成長不連續(xù)，速度很慢，金屬凝固中尚未發(fā)現(xiàn)。2晶體缺陷臺(tái)階生長機(jī)制：永不消失臺(tái)階：螺型位錯(cuò)、孿晶。成長速度也慢，平滑界面成長需要的動(dòng)態(tài)過冷度比前一種要大。四、晶體長大的形態(tài)（一）液-固界面前沿液相中的溫度梯度1正溫度梯度：如圖3-4所示。2負(fù)溫度梯度：如圖3-5所示。（二）平面狀長大形態(tài)平面狀長大：液-固界面始終保持平直的表面向液相中長大，長大中的晶體也

4、一直保持規(guī)則的形態(tài)。在正溫度梯度條件下，對(duì)于具有粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體都具有這種長大形態(tài)。造成平面長大形態(tài)的主要原因：粗糙界面上空位較多，界面的推進(jìn)也沒有擇優(yōu)取向，其界面與熔點(diǎn)等溫線平行，偶有局部長大較快的微小區(qū)域由于受到前沿過冷度的限制會(huì)停滯下來，而保持界面整體的平行推移。（三）樹枝狀長大形態(tài)是液-固界面始終像樹枝一樣向液相中長大，并不斷地分枝發(fā)展。在負(fù)溫度梯度下，一般具有粗糙界面的晶體都具有該長大形態(tài)。造成樹枝長大形態(tài)的原因：在負(fù)溫度梯度下，液-固界面不在保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)界面上微小區(qū)域有偶或凸起而伸入到過冷液體中時(shí)，由于其前沿的過冷度較大，而更有利地生長，其生長放出的潛熱又限制了其附近的晶體的生長。樹枝狀長大具有特定的方向性，主要取決于晶體結(jié)構(gòu)。樹枝分枝的多少和枝的粗細(xì)，通常用枝臂間距描述。5 陶瓷、聚合物的凝固一、陶瓷的凝固： 陶瓷的凝固過程比金屬的復(fù)雜，但其結(jié)晶的基本規(guī)律相同。結(jié)晶過程中組織的變化規(guī)律與合金相似。二、聚合物的凝固：其凝固過程主要由其大分子鏈結(jié)構(gòu)決定。結(jié)晶過程：非結(jié)晶過程：6 凝固理論的應(yīng)用一、鑄態(tài)晶粒度的控制單位體積中晶粒數(shù)： （N-形核率；Vg-長大速度）單位面積中的晶粒數(shù)：控制晶粒度主要在于控制N和Vg，常用的方法有：增大過冷度、降低澆鑄溫度、選擇吸熱