北科大材料考研試題

第一節(jié)純金屬的結晶熔化本次課主要內容1、了解基本概念2、理解純金屬結晶過程凝固結晶金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。非晶轉變或玻璃化轉變凝固成非晶態(tài)固體的不屬于相變，常稱之為非晶轉變或玻璃化轉變平衡結晶溫度或理論結晶溫度金屬熔點通常把金屬從液態(tài)轉變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結晶。而把金屬從一種固體晶態(tài)轉變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結晶或重結晶。純金屬的結晶純金屬的結晶物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程。若凝固后的物質為晶體，則稱之為結晶。金屬及其合金都是晶體，所以它們的凝固過程就是結晶。凝固后是否形成晶體，主要由液態(tài)物質的黏度和冷卻速度決定。﹥107℃/s，金屬也能獲得非晶態(tài)。結晶是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。金屬冶煉、鑄造、焊接工藝過程就是結晶過程。純金屬冷卻曲線tTTmTn理論結晶溫度開始結晶溫度}T過冷度T=Tm-Tn純金屬結晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能）一、結晶的過冷現象實際結晶溫度變化故T不固定！金屬的過冷度并不是一個恒定值，而是受金屬中的雜質和冷卻速度的影響。金屬愈純，過冷度愈大；冷卻速度愈快，過冷度也愈大。過冷度越大，形核數目越多，結晶后的晶粒就越細小，鑄件的機械性能也就越高。所以生產上常通過改變過冷度來控制晶粒大小。一、結晶的過冷現象二、結晶的熱力學條件＜06-2dG/dT=-S＜06-26-2TmTm二、結晶的熱力學條件Tm由熱力學可證明在恒溫、恒壓條件下，單位體積的液體與固體的自由能差△GV△GV＝式中Lm為熔化潛熱，該式表明過冷度越大結晶的驅動力也越大。二、結晶的熱力學條件結構：長程無序，短程有序（更接近于固態(tài)金屬）。特點（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數較小、原子排列較混亂。三、液態(tài)金屬的結構結構更接近于固態(tài)金屬?1、金屬的相變熱

Lm?

Lb≈LcSL近鄰原子間破壞不大。2、金屬熔化時的體積變化

3%～

5%原子間距原子間結合力接近。3、固態(tài)與液態(tài)金屬熱容量差

10%以下，表明固、液態(tài)內部原子熱運動狀態(tài)也相近。熱容量為單位質量物體改變單位溫度時的吸收或釋放的內能三、液態(tài)金屬的結構兩個起伏結構起伏：液態(tài)結構的最重要特征是原子排列為長程無序、短程有序，并且原子集團不是固定不變的，它是一種此消彼漲、瞬息萬變、尺寸不穩(wěn)定的結構，這種現象稱為結構起伏。（瞬時形成、瞬時消失、時聚時散）能量起伏：體系中每個微小體積所實際具有的能量，會偏離體系平均能量水平而瞬時漲落的現象。三、液態(tài)金屬的結構（1）結晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）（2）描述結晶進程的兩個參數

形核率：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數量。用N表示。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內遷移的距離。用G表示。四、金屬的結晶過程形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織四、金屬的結晶過程晶體的凝固是通過形核與長大兩個過程進行的，即固相核心的形成與晶核生長至液相耗盡為止。形核方式可以分為兩大類：（1）均勻形核新相晶核是在母相中均勻地生成，即晶核由液相中的一些原子團直接形成，不受雜質或外表面的影響。（2）非均勻形核新相優(yōu)先在母相中存在的異質處形核，即依附于液相中的雜質或外來表面形核。五、形核與長大1形核

均勻形核：新相晶核是在母相中均勻地生成，即晶核由液相中的一些原子團直接形成，不受雜質或外表面的影響。（1）

均勻形核

1）晶胚形成時的能量變化

△G＝V△Gv+σS=(4/3)πr3△Gv+4πr2σ相變的驅動力相變的阻力（1）均勻形核

2）臨界晶核

d△G/dr=0

rk=-2σ/△Gv

臨界晶核：半徑為rk的晶胚。

3）臨界晶核半徑（將6-2式代入上式）

rk=2σTm/Lm△T臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度?！鱐k.△T≥△Tk是結晶的必要條件。1形核（1）均勻形核

4）形核功與能量起伏△Gk＝Akσ/3臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功?？磕芰科鸱峁┠芰科鸱后w系中每個微小體積所實際具有的能量，會偏離體系平均能量水平而瞬時漲落的現象。（是結晶的必要條件

）。1形核1形核（1）均勻形核

5）形核率與過冷度的關系

N=N1.N2

由于N受N1.N2兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關系。金屬結晶：均勻形核時有效過冷度（見圖6-8）△T≈0.2Tm非均勻形核時有效過冷度△T≈0.02Tm一般相變的規(guī)律

金屬材料形核率與溫度的關系如圖所示

形核率突然增大的溫度稱為有效形核溫度，此時對應的過冷變稱臨界過冷度約等于0.2Tm。

（2）非均勻形核

1）模型：外來物質為一平面，固相晶胚為一球冠。

2）自由能變化：表達式與均勻形核相同。1形核（2）非均勻形核

3）臨界形核功計算時利用球冠體積、表面積表達式，結合平衡關系σlw=σsw+σslcosθ計算能量變化和臨界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4a)θ=0時，△Gk非＝0，表明基底為現成的結晶核心；

b)一般情況下：180>θ>0時,△Gk非<△Gk,雜質促進形核；

c)θ=180時，△Gk非＝△Gk，雜質不起作用，不能促進形核。1形核(1)液固界面微結構與晶體長大機制晶體長大機制是指結晶過程中晶體界面向液相推移的方式，它與液-固界面的微觀結構有關。粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金的界面）：

垂直長大。光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙－無機化合物或亞金屬材料的界面）：

橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。2晶體長大2晶體長大2晶體長大二維晶核的生成需要一定的孕育期和臨界尺寸及形核功，生長不連續(xù)螺位錯生長速度快不需形核功可連續(xù)長大，但可提供的臺階有限2晶體長大粗糙界面-垂直長大生長速度很大（在3種長大方式中是最大的）這種生長機制既不需要孕育期、臨界尺寸也不需要形核功，過冷度很小10-4℃晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液—固界面向液體中推移的過程。

平面長大樹枝狀長大非平衡結晶非平衡冷卻時在各溫度下停留的時間有限，相內擴散不能充分進行，使凝固過程偏離了平衡條件，這稱為非平衡凝固。固溶體通常以樹枝狀生長方式結晶，非平衡凝固導致先結晶的枝干和后結晶的枝間的成分不同，故稱為枝晶偏析。純金屬凝固時由于其熔點Tm是固定的，界面前沿液體的過冷區(qū)形態(tài)和性質取決于液體內實際溫度分布，這種過冷叫做熱過冷。當界面前沿液體中的實際溫度低于由溶質分布所決定的凝固溫度時產生的過冷，稱為成分過冷。偽共晶：非共晶成分的合金在非平衡凝固冷卻條件下得到100％共晶組織，此共晶組織稱為偽共晶。離異共晶：在共晶體轉變中共晶體中與先共晶相相同的相（α）直接長在先共晶相表面上，把共晶體中的另一相（?）推到先共晶相（α）的晶界處呈網狀分布，使這部分共晶體失去了共晶組織的兩相相間交替分布的特征，呈現兩相分離狀態(tài)，稱為離異共晶。C1與C2之間可得完全共晶組織（偽共晶）C3合金可得離異共晶白色Ag3Sn黑色Sn先共晶相Ag3Sn小結及作業(yè)過冷和過冷度結晶的熱力學條件液態(tài)