第三章凝固-課件

熔化2020/12/121第三章凝固煉鋼澆注煉銅2020/12/122精品資料你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結一節(jié)課的重點的難點，你是否會認為老師的教學方法需要改進？你所經歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學問無顏見爹娘……”“太陽當空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”第三章凝固凝固：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。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎。2020/12/125第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結晶規(guī)律1液態(tài)材料的結構結構：長程無序而短程有序。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。2020/12/126第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結晶規(guī)律2過冷現象supercooling

（1）過冷：液態(tài)材料在理論結晶溫度以下仍保持液態(tài)的現象。（2）過冷度：液體材料的理論結晶溫度(Tm)與其實際溫度之差?！鱐=Tm-T(見冷卻曲線)注:過冷是凝固的必要條件(凝固過程總是在一定的過冷度下進行)。

2020/12/127第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結晶規(guī)律3結晶過程（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。2020/12/128第二節(jié)

材料結晶的基本條件

第三章第二節(jié)結晶條件1熱力學條件（1）G-T曲線a是下降曲線：由G-T函數的一次導數（負）確定。

dG/dT=-Sb是上凸曲線：由二次導數（負）確定。

d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲線斜率大于固相：由一次導數大小確定。二曲線相交于一點，即材料的熔點。2020/12/129第二節(jié)

材料結晶的基本條件

第三章第二節(jié)結晶條件1熱力學條件（2）熱力學條件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－過冷是結晶的必要條件（之一）。b△T越大,△Gv越小－過冷度越大，越有利于結晶。c△Gv的絕對值為凝固過程的驅動力。2020/12/1210第二節(jié)

材料結晶的基本條件

第三章第二節(jié)結晶條件2結構條件（1）液態(tài)結構模型

微晶無序模型

拓撲無序模型

（2）結構起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現的短程有序原子集團的時隱時現現象。是結晶的必要條件（之二）。出現幾率結構起伏大小2020/12/1211第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內無軌則均勻形成。非均勻形核：新相晶核依附于其它物質擇優(yōu)形成。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?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/12/1212第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核(2)臨界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv臨界晶核：半徑為rk的晶胚。(3)臨界過冷度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。2020/12/1213第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核

（4）形核功與能量起伏△Gk＝Skσ/3臨界形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功。能量起伏：系統中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現象。（是結晶的必要條件之三）。2020/12/1214第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核

（5）形核率與過冷度的關系 N=N1(?GK).N2(?

GA) 由于N受N1(形核）.N2（擴散）兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關系。2020/12/1215第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件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：表達式與均勻形核類似。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/12/1216第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件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?！鱃k非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0時，△Gk非＝0，雜質本身即為晶核；b180>θ>0時,△Gk非<△Gk,雜質促進形核；cθ=180時，△Gk非＝△Gk，雜質不起作用。2020/12/1217第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件2非均勻形核

（4）影響非均勻形核的因素a過冷度：（N-△T曲線有一下降過程）。b外來物質表面結構：θ越小越有利。點陣匹配原理：結構相似，點陣常數相近。c外來物質表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）2h2020/12/1218第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大1晶核長大的條件（1）動態(tài)過冷動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。（是材料凝固的必要條件）（2）足夠的溫度（3）合適的晶核表面結構2020/12/1219第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大2液固界面微結構與晶體長大機制

粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的界面）：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。2020/12/1220第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大2液固界面微結構與晶體長大機制粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的界面）：

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。2020/12/1221第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高）粗糙界面：平面狀。光滑界面：臺階狀（小平面狀）。2020/12/1222第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越高）

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/12/1223第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（2）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低）粗糙界面：樹枝狀。光滑界面：樹枝狀－多面體—臺階狀。2020/12/1224第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（2）負溫度梯度（液體中距液固界面越遠，溫度越低）

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/12/1225第五節(jié)高分子材料的結晶

第三章第五節(jié)高分子結晶特點：結晶不完全性、不完善性、結晶速度慢一與低分子結晶的相似性1結晶速度和晶粒尺寸受過冷度的影響隨過冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸減小。2結晶過程：形核與長大均勻形核：高分子鏈靠熱運動組成有序排列形成晶核。非均勻形核：以殘余結晶高分子、分散顆粒、容器壁為中心形核。3非均勻形核所需過冷度小。2020/12/1226第五節(jié)高分子材料的結晶

第三章第五節(jié)高分子結晶特點：結晶不完全性、不完善性、結晶速度慢二與低分子結晶的差異性結晶的不完全性。一般50%，最高約95%。（1）鏈的對稱性。對稱性越高，越容易結晶。（2）鏈的規(guī)整性。規(guī)則的構型，有利于結晶，有利于共聚結晶。（3）鏈的柔順性。柔順性越好，結晶能力越強。（4）共聚效應。2020/12/1227第六節(jié)凝固理論的應用

第三章第六節(jié)凝固的應用1材料鑄態(tài)晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4（1）提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導熱能力，適用于小件。（2）化學變質處理。促進異質形核，阻礙晶粒長大。（3）振動和攪拌。輸入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。2020/12/1228第六節(jié)凝固理論的應用

第三章第六節(jié)凝固的應用2單晶體的制備（1）基本原理：保證一個晶核形成并長大。（2）制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/12/1229第六節(jié)凝固理論的應用

第三章第六節(jié)凝固的應用3定向凝固技術（1）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。（2）制備方法。2020/12/1230第六節(jié)凝固理論的應用

第三章第六節(jié)凝固的應用4急冷凝固技術（1）非晶金屬與合金（2）微晶合金。（3）準晶合金。4h2020/12/1231第一章第