材料加工原理課件 第3講

1、2.2液態(tài)金屬凝固結(jié)晶的熱力學(xué)與動力學(xué)金屬凝固結(jié)晶的熱力學(xué)條件均質(zhì)形核異質(zhì)形核晶體生長第二章液態(tài)金屬及其加工凝固的熱力學(xué)條件凝固的熱力學(xué)條件液固兩相自由能與溫度的關(guān)系GV= HVTm SV = 0凝固的熱力學(xué)條件凝固的熱力學(xué)和動力學(xué)能障界面能激活能金屬結(jié)晶微觀過程形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織均勻形核非均勻形核是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。生核過程是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過程。均勻形核非均勻形核生核過程均質(zhì)形核Or*過冷是結(jié)晶的必要條件之一 液體中存在“結(jié)構(gòu)起伏”的原子集團(tuán)，其統(tǒng)計平均尺寸 r隨溫度降低（T增大）而增大

2、，r與 r* 相交，交點(diǎn)的過冷度即為均質(zhì)形核的臨界過冷度T*（約為0.180.20Tm）。 結(jié)構(gòu)起伏與能量起伏回憶：實(shí)際液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶的必要條件之二 臨界晶核的表面積為：而：所以： G*的大小為臨界晶核表面能的三分之一。形核功由熔體中的“能量起伏”提供。 能量起伏是結(jié)晶的必要條件之三 氣相中單個小尺寸金屬的熔點(diǎn)熔體中小結(jié)晶顆粒的熔點(diǎn)T3令：熔體中小結(jié)晶顆粒的熔點(diǎn)下降 T3由于表面張力的存在，固相曲率k引起固相內(nèi)部壓力增高，這產(chǎn)生附加自由能：欲保持固相穩(wěn)定，必須有一相應(yīng)過冷度Tr使自由能降低與之平衡（抵消）。由固相曲率引起的自由能升高。Tr表明： 曲率對物質(zhì)熔點(diǎn)的影響：固相表面曲率

3、引起熔點(diǎn)降低。 曲率越大（晶粒半徑r越?。?，物質(zhì)熔點(diǎn)溫度越低。均質(zhì)形核率金屬原子在結(jié)晶過程中的自由能變化單位體積液相中的原子數(shù)固液界面緊鄰固體核心的液體原子數(shù)形核功液體原子振動頻率被固相接受 的幾率液體原子擴(kuò)散 激活能均質(zhì)形核率形核率是指單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用NN1*N2表示。形核功影響原子擴(kuò)散能力急冷非晶態(tài)材料異質(zhì)形核因此，形成了一個球形晶核的總自由能變化G非為非均質(zhì)形核的臨界晶核半徑為將r*值代入G非式，求得非均質(zhì)形核的臨界形核功G非*為異質(zhì)形核率單位體積中液相與非均質(zhì)核心部位接觸的原子數(shù)影響異質(zhì)形核率的因素1)過冷度 過冷度形核率2)界面狀況 點(diǎn)陣失配度、夾雜物基底形

4、態(tài) 錯配度 越小，共格情況越好，界面張力LC越小，越容易進(jìn)行非均質(zhì)形核； 5% ，為完全共格，非均質(zhì)形核能力強(qiáng)5% 25%，為部分共格，襯底基底有一定非均 質(zhì)形核能力 25%，為不共格，襯底無非均質(zhì)形核能力外來物質(zhì)表面形貌雜質(zhì)表面的粗糙度對非均質(zhì)形核的影響 凹面雜質(zhì)形核效率最高，平面次之，凸面最差 。3)液態(tài)金屬狀態(tài) 過熱對異質(zhì)核心的影響晶體長大正溫度梯度下的凝固界面形態(tài)負(fù)溫度梯度下的凝固界面形態(tài)Jackson因子與界面形態(tài)粗糙與光滑界面二維和缺陷生長機(jī)制不同生長機(jī)制的生長速度與過冷度的關(guān)系連續(xù)生長二維臺階生長螺旋位錯生長不同生長機(jī)制的生長速度與過冷度的關(guān)系2.3液態(tài)金屬的冶金處理影響形核的冶

5、金處理影響生長的冶金處理共格和半共格關(guān)系(1)引入有效的異質(zhì)形核基底和Al-B相圖Al-Ti（2）形成先凝固的同質(zhì)核心基底細(xì)化處理前后Al-7Si合金的組織Si對鑄鐵的孕育作用機(jī)理（3）形成瞬時局部形核條件孕育前后的灰鐵晶粒度變質(zhì)處理對Al-Si合金性能的影響影響晶粒長大的冶金處理Al-7Si合金變質(zhì)前后的硅相形態(tài)Sr對亞共晶鋁硅合金的變質(zhì)作用ab c deunmodified0.005wt%Sr0.010wt%Sr0.015wt%Sr0.020wt%SredcbaSi相的孿晶與大角度分枝石墨結(jié)構(gòu)與生長方式球狀石墨的生長模型球化前后的石墨組織思考題：液態(tài)金屬的主要結(jié)構(gòu)信息有哪些？其表征和測定方法怎樣？這些結(jié)構(gòu)與性質(zhì)會對液態(tài)金屬的凝固過程和凝固組織有什么影響？1.2.常用金屬融化時的熵變與升華時的的熵變相大概是一個什么樣的比例？這種熵變差異對金屬從液態(tài)結(jié)晶和從氣相中結(jié)晶的界面形態(tài)有什么影響？如果液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是均勻的，結(jié)晶將如何進(jìn)行？3.液態(tài)金屬的冶金處理是通過哪些途徑改變或控制凝固過程和凝固