材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件

第九章凝固與結(jié)晶第九章凝固與結(jié)晶寫在前面的話：1、由于錄制軟件的原因，這個(gè)視頻中后半段的圖像與音頻不同步，大家在看的時(shí)候可以通過調(diào)整音頻的同步選項(xiàng)（推遲還是快進(jìn)）來實(shí)現(xiàn)其同步~~~~我試了好幾次，都沒有成功，視頻的時(shí)間一長就會出現(xiàn)這個(gè)不同步的問題~~~~2、整個(gè)講課過程僅有半個(gè)多小時(shí)，內(nèi)容比較粗糙，加之我表達(dá)講解的較爛~~~大家勉強(qiáng)聽一下。還有歡迎大家多提意見，如果有什么問題或是錯誤或是沒有講到的重點(diǎn)，請一定提出來，大家在群里討論，免得我誤人子弟3、我的講課只是拋磚引玉，真正起作用的是各位師弟師妹自身的努力。加油?。?！寫在前面的話：考點(diǎn)匯總金屬結(jié)晶1共晶合金的凝固3固溶體凝固24凝固組織控制考點(diǎn)匯總金屬結(jié)晶1共晶合金的凝固3固溶體凝固24凝固組1.凝固(coagulation)

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶(crystal)

晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。

物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過程。意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。概念區(qū)分1.凝固(coagulation)2.結(jié)晶(cry金屬結(jié)晶1金屬結(jié)晶1金屬結(jié)晶條件晶核形成驅(qū)動力均勻形核非均勻形核形核率金屬結(jié)晶條件晶核形成驅(qū)動力均勻形核非均勻形核形核率1.結(jié)晶的條件

必要條件：過冷度大于零（ΔT=Tm–Tn>0），即實(shí)際結(jié)晶熱力學(xué)溫度<理論結(jié)晶熱力學(xué)溫度充要條件：過冷；結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏1.結(jié)晶的條件必要條件：過冷度大于零（ΔT=Tm2.結(jié)晶的驅(qū)動力

液、固兩相的吉布斯自由能差，即ΔG=GS–GL<0單位體積液、固兩相的吉布斯自由能差：2.結(jié)晶的驅(qū)動力液、固兩相的吉布斯自由能差，即ΔG=G3.晶核的形成

（1）均勻形核3.晶核的形成（1）均勻形核1）臨界晶核半徑2）臨界形核功1）臨界晶核半徑2）臨界形核功（2）非均勻形核（2）非均勻形核非均勻形核的能量條件：（比均勻形核多了一個(gè)阻礙能：固相與基底之間的表面自由能變化）非均勻形核的形核率的影響因素：過冷度；外來摻雜；液態(tài)金屬的過熱非均勻形核的能量條件：（比均勻形核多了一個(gè)阻礙能：固相與基底固溶體凝固2固溶體凝固2固溶體的凝固平衡凝固不平衡凝固固相不擴(kuò)散，液相完全混合固相不擴(kuò)散，液相完全不混合成分過冷固溶體的凝固平衡凝固不平衡凝固固相不擴(kuò)散，液相完全混合固相不1.平衡凝固（1）平衡分配系數(shù)CS是相圖中某溫度時(shí)固相的成分；CL是相應(yīng)液相的成分。如果液相線及對應(yīng)的固相線都是直線，則k0=常數(shù)直線斜率為正，k0>1;直線斜率為負(fù)，k0<1無論凝固是否平衡，固液界面處固相與液相的成分總是符合平衡分配系數(shù)。1.平衡凝固（1）平衡分配系數(shù)CS是相圖中某溫度時(shí)固相的成分（2）平衡凝固的特點(diǎn)液相中溶質(zhì)原子通過遷移而分布均勻；固相中溶質(zhì)原子通過擴(kuò)散而分布均勻。液相及固相的成分隨溫度變化而變化，但在任一溫度下都達(dá)到平衡狀態(tài)結(jié)晶后晶粒內(nèi)成分均勻，無宏觀及微觀偏析（2）平衡凝固的特點(diǎn)液相中溶質(zhì)原子通過遷移而分布均勻；固相中（1）固相不擴(kuò)散，液相完全混合2.不平衡凝固已凝固固相的成分不再變化，剩余液相成分均勻正常凝固方程：（固溶體棒中的溶質(zhì)濃度分布方程）其中z是距離棒左端的距離；C0是合金的成分；L是棒的全長注意：該方程適應(yīng)于z<0.9L的情況（1）固相不擴(kuò)散，液相完全混合2.不平衡凝固已凝固固相的成分當(dāng)已凝固的長度為z時(shí)，剩余液相的成分為當(dāng)已凝固的長度為z時(shí)，剩余液相的成分為真題演練真題演練材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件（2）固相不擴(kuò)散，液相完全不混合左右兩端產(chǎn)生過渡區(qū)，中間為穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)對于k0<1的合金，在左端的初始過渡區(qū)，固相的成分低于合金成分；在穩(wěn)態(tài)過渡區(qū)，固相的成分始終與合金的成分相同，剩余液相在液-固界面前沿形成溶質(zhì)原子富集區(qū)，界面處的液相成分與固相維持平衡，但隨與界面距離的增加而逐漸減小，最終減小至與合金成分相同，在末尾過渡區(qū)，固相的成分高于合金成分。（2）固相不擴(kuò)散，液相完全不混合左右兩端產(chǎn)生過渡區(qū)，中間為穩(wěn)在穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)中，液-固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布方程為：x是至液-固界面的距離；R是液-固界面的推進(jìn)速度；D是溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散系數(shù)在穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)中，液-固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布方程為：x3.成分過冷（1）概念固溶體不平衡凝固時(shí)，由于液-固界面前沿液相中溶質(zhì)原子的富集，即使在正的實(shí)際溫度梯度下，這部分液體中實(shí)際溫度低于理論凝固溫度，從而處于過冷狀態(tài)的現(xiàn)象在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷3.成分過冷（1）概念固溶體不平衡凝固時(shí)，由于液-固界面前沿（2）條件（2）條件（3）對液-固界面形貌的影響無成分過冷時(shí)，界面呈平直狀；較小成分過冷時(shí)，界面呈胞狀；較大成分過冷時(shí)，界面呈樹枝狀（3）對液-固界面形貌的影響無成分過冷時(shí)，界面呈平直狀；共晶合金的凝固3共晶合金的凝固3共晶中領(lǐng)先相晶核的形成促使了另一相晶核的形成（2）共晶體的長大方式（1）共晶體的形核方式依靠兩相前沿液體中的橫向擴(kuò)散，兩相按照“搭橋”方式相輔相成，并列生長。（4）先共晶體的形態(tài)1）金屬-金屬型共晶體：兩相并肩成長為較規(guī)則混合形態(tài)，如層片狀、棒狀、螺旋狀等；2）金屬-非金屬型共晶體：金屬相超前于非金屬相成長為較不規(guī)則混合形態(tài)，如針狀、片狀、球狀、骨骼狀等。（3）共晶體的形態(tài)1）金屬（金屬間化合物）型先共晶體呈樹枝狀；2）非金屬（亞金屬及非金屬化合物）型先共晶體呈規(guī)則多面體。共晶中領(lǐng)先相晶核的形成促使了另一相晶核的形成（4凝固組織控制4凝固組織控制凝固組織及其控制晶粒尺寸鑄錠缺陷焊縫組織鑄錠組織凝固組織及其控制晶粒尺寸鑄錠缺陷焊縫組織鑄錠組織1、晶粒尺寸Z：晶粒尺寸，用單位體積中的晶粒數(shù)表征N：形核率G：晶核長大線速度1、晶粒尺寸Z：晶粒尺寸，用單位體積中的晶粒數(shù)表征2、鑄錠組織1：表面細(xì)晶區(qū)2：柱狀晶區(qū)3：中心等軸晶區(qū)2、鑄錠組織1：表面細(xì)晶區(qū)三區(qū)成因三區(qū)成因3、鑄錠缺陷粗大的柱狀晶中心線偏析和層狀偏析1、微觀偏析2、宏觀偏析3、夾雜和氣孔4、縮孔和疏松4、焊縫組織3、鑄錠缺陷粗大的柱狀晶1、微觀偏析4、焊縫組織第九章凝固與結(jié)晶第九章凝固與結(jié)晶寫在前面的話：1、由于錄制軟件的原因，這個(gè)視頻中后半段的圖像與音頻不同步，大家在看的時(shí)候可以通過調(diào)整音頻的同步選項(xiàng)（推遲還是快進(jìn)）來實(shí)現(xiàn)其同步~~~~我試了好幾次，都沒有成功，視頻的時(shí)間一長就會出現(xiàn)這個(gè)不同步的問題~~~~2、整個(gè)講課過程僅有半個(gè)多小時(shí)，內(nèi)容比較粗糙，加之我表達(dá)講解的較爛~~~大家勉強(qiáng)聽一下。還有歡迎大家多提意見，如果有什么問題或是錯誤或是沒有講到的重點(diǎn)，請一定提出來，大家在群里討論，免得我誤人子弟3、我的講課只是拋磚引玉，真正起作用的是各位師弟師妹自身的努力。加油?。?！寫在前面的話：考點(diǎn)匯總金屬結(jié)晶1共晶合金的凝固3固溶體凝固24凝固組織控制考點(diǎn)匯總金屬結(jié)晶1共晶合金的凝固3固溶體凝固24凝固組1.凝固(coagulation)

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.結(jié)晶(crystal)

晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。

物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過程。意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。概念區(qū)分1.凝固(coagulation)2.結(jié)晶(cry金屬結(jié)晶1金屬結(jié)晶1金屬結(jié)晶條件晶核形成驅(qū)動力均勻形核非均勻形核形核率金屬結(jié)晶條件晶核形成驅(qū)動力均勻形核非均勻形核形核率1.結(jié)晶的條件

必要條件：過冷度大于零（ΔT=Tm–Tn>0），即實(shí)際結(jié)晶熱力學(xué)溫度<理論結(jié)晶熱力學(xué)溫度充要條件：過冷；結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏1.結(jié)晶的條件必要條件：過冷度大于零（ΔT=Tm2.結(jié)晶的驅(qū)動力

液、固兩相的吉布斯自由能差，即ΔG=GS–GL<0單位體積液、固兩相的吉布斯自由能差：2.結(jié)晶的驅(qū)動力液、固兩相的吉布斯自由能差，即ΔG=G3.晶核的形成

（1）均勻形核3.晶核的形成（1）均勻形核1）臨界晶核半徑2）臨界形核功1）臨界晶核半徑2）臨界形核功（2）非均勻形核（2）非均勻形核非均勻形核的能量條件：（比均勻形核多了一個(gè)阻礙能：固相與基底之間的表面自由能變化）非均勻形核的形核率的影響因素：過冷度；外來摻雜；液態(tài)金屬的過熱非均勻形核的能量條件：（比均勻形核多了一個(gè)阻礙能：固相與基底固溶體凝固2固溶體凝固2固溶體的凝固平衡凝固不平衡凝固固相不擴(kuò)散，液相完全混合固相不擴(kuò)散，液相完全不混合成分過冷固溶體的凝固平衡凝固不平衡凝固固相不擴(kuò)散，液相完全混合固相不1.平衡凝固（1）平衡分配系數(shù)CS是相圖中某溫度時(shí)固相的成分；CL是相應(yīng)液相的成分。如果液相線及對應(yīng)的固相線都是直線，則k0=常數(shù)直線斜率為正，k0>1;直線斜率為負(fù)，k0<1無論凝固是否平衡，固液界面處固相與液相的成分總是符合平衡分配系數(shù)。1.平衡凝固（1）平衡分配系數(shù)CS是相圖中某溫度時(shí)固相的成分（2）平衡凝固的特點(diǎn)液相中溶質(zhì)原子通過遷移而分布均勻；固相中溶質(zhì)原子通過擴(kuò)散而分布均勻。液相及固相的成分隨溫度變化而變化，但在任一溫度下都達(dá)到平衡狀態(tài)結(jié)晶后晶粒內(nèi)成分均勻，無宏觀及微觀偏析（2）平衡凝固的特點(diǎn)液相中溶質(zhì)原子通過遷移而分布均勻；固相中（1）固相不擴(kuò)散，液相完全混合2.不平衡凝固已凝固固相的成分不再變化，剩余液相成分均勻正常凝固方程：（固溶體棒中的溶質(zhì)濃度分布方程）其中z是距離棒左端的距離；C0是合金的成分；L是棒的全長注意：該方程適應(yīng)于z<0.9L的情況（1）固相不擴(kuò)散，液相完全混合2.不平衡凝固已凝固固相的成分當(dāng)已凝固的長度為z時(shí)，剩余液相的成分為當(dāng)已凝固的長度為z時(shí)，剩余液相的成分為真題演練真題演練材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件材料科學(xué)基礎(chǔ)-液態(tài)金屬的凝固課件（2）固相不擴(kuò)散，液相完全不混合左右兩端產(chǎn)生過渡區(qū)，中間為穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)對于k0<1的合金，在左端的初始過渡區(qū)，固相的成分低于合金成分；在穩(wěn)態(tài)過渡區(qū)，固相的成分始終與合金的成分相同，剩余液相在液-固界面前沿形成溶質(zhì)原子富集區(qū)，界面處的液相成分與固相維持平衡，但隨與界面距離的增加而逐漸減小，最終減小至與合金成分相同，在末尾過渡區(qū)，固相的成分高于合金成分。（2）固相不擴(kuò)散，液相完全不混合左右兩端產(chǎn)生過渡區(qū)，中間為穩(wěn)在穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)中，液-固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布方程為：x是至液-固界面的距離；R是液-固界面的推進(jìn)速度；D是溶質(zhì)原子在液相中的擴(kuò)散系數(shù)在穩(wěn)態(tài)凝固區(qū)中，液-固界面前沿液體中的溶質(zhì)濃度分布方程為：x3.成分過冷（1）概念固溶體不平衡凝固時(shí)，由于液-固界面前沿液相中溶質(zhì)原子的富集，即使在正的實(shí)際溫度梯度下，這部分液體中實(shí)際溫度低于理論凝固溫度，從而處于過冷狀態(tài)的現(xiàn)象在固溶體合金凝固時(shí)，在正的溫度梯度下，由于固液界面前沿液相中的成分有所差別，導(dǎo)致固液界面前沿的熔體的溫度低于實(shí)際液相線溫度，從而產(chǎn)生的過冷稱為成分過冷3.成分過冷（1）概念固溶體不平衡凝固時(shí)，由于液-固界面前沿（2）條件（2）條件（3）對液-固界面形貌的影響無成分過冷時(shí)，界面呈平直狀；較小成分過冷時(shí)，界面呈胞狀；較大成分過冷時(shí)，界面呈樹枝狀（3）對液-固界面形貌的影響無成分過冷時(shí)，界面呈平直狀；共晶合金的凝固3共晶合金的凝固3共晶中領(lǐng)先相晶核的形成促使了另一相晶核的形成（2）共晶體的長大方式（1）共晶體的形核方式依靠兩相前沿液體中的橫向擴(kuò)散，兩相按照“搭橋”方式相輔相成，并列生長。（4）先共晶體的形態(tài)1）金屬-金屬型共晶體：兩相并肩成長為較規(guī)則混合形態(tài)，如層片狀、棒狀、螺旋狀等；2）金屬-非金屬型共晶體：金屬相超前于非金屬相成長為較不規(guī)則混合形態(tài)，如針狀、片狀、球狀、骨骼狀等。（3）共晶體的形態(tài)1）金屬（金屬間化合物）型先共晶體呈樹枝狀；2）非金屬（亞金屬及非金屬化合物）型先共晶體呈規(guī)則多面體。共晶中領(lǐng)先相晶核的形成促使了另一相