9.影响非均匀形核形核率的因素

二形核率非均匀形核的形核率与均匀形核的相似，但除了受过冷度和温度的影响外，还受固态杂质的结构、数量和形貌及其它一些物理因素的影响。A过冷度的影响非均匀形核和均匀形核形核率和所需过冷度的比较：由于非均匀形核所需的形核功KG很小，因此在较小的过冷度条件下，当均匀形核还微不足道吋，非均匀形核就明显开始了。图2-15为均匀形核与非均匀形核的形核率随过冷冷度变化的比较。从两者的对比可知，当非均匀形核的形核率相当可观时，均匀形核的形核率还几乎是零，并在过冷度约为mT02.0时，非均匀形核具有最大的形核率，这只相当于均勾形核达到最大形核率时，所需过冷度mT2.0的十分之一非均匀形核形核率可能中止或超过最大值：由于非均匀形核取决于适当的夹杂物质点的存在，因此其形核率可能越过最大值，并在高的过冷度处中断，这是因为在非均匀形核时，晶核在夹杂物底面上的分布，逐渐使那些有利于新晶核形成的表面减少。当可被利用的形核基底全部被晶核所覆盖时，非均匀形核也就中止了。B固体杂质结构的影响接触角和形核率：非均匀形核的形核功与接触角有关，角越小，形核功越小，形核率越高影响接触角的因素：由式2.14可知，接触角的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者之间表面能的相对大小，即LBLBcos。当液态金属确定之后，L便固定不变，那么接触角便只取决于BLB的差值。为了获得较小的接触角，应使cos趋近于1。只有当B越小时，L便越接近于LB，cos才能越接近于1。也就是说，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催化效应就越高。影响固态质点与晶核的表面能的因素：1.B取决于品核（晶体）与固态杂质的结构（原子排列的几何形状，原子的大小、原子间的距离等）上的相似程度。2.两个相互接触的晶面结构越近似，它们之间的表面能就越小，即使只在接触面的某一个方向上的原子排列配合的比较好，也会使表面能降低一些。3.这样的条件(结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。点阵匹配原理：1.这样的条件(结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。2.应当指出，点阵匹配原理已为大量的实验所证明，但在实际应用时有时会出现例外的情况，尚有待于进一步研究。在铸造生产中，往往在浇注前加入形核剂，增加非均匀形核的形核率，以达到细化晶粒的目的1.例如锆能促进镁的非均匀形核，这是因为两者都具有密排六方晶格。镁的晶格常数为A=0.320221101nm，C=0.51991nm；锆的晶格常数为A=0.3223nm，C=0.5123nm，两者的大小很相近。而且锆的熔点是1855度远高于镁的熔点659度。所以，在液态镁中加入很少量的锆，就可大大提高镁的形核率。2.又如，铁能促进铜的非均匀形核，这是因为，在铜的结晶温度1083以下，Fe和Cu都具有面心立方晶格，而且品格常数相近：CCCC。所以在液态铜中加入少量的铁，就能促进铜的非均匀形核。3.再如，钛在铝合金中是非常有效的形核剂，钛在铝合金中形成3TiAl，它与铝的晶格类型不同：铝为面心立方晶格，晶格常数A=0.405nm，3TiAl为正方晶格，晶格常数A=B=0.543nm，C=0.859nm。不过当AlTiAl0010013平行于时，铝的晶格只要旋转45度，即AlTiAl1101003平行于时，即可与3TiAl较好对应(图2.16)，从而有效地细化铝的晶粒组织。C固体杂质形貌的影响固体杂质表面的形状：固体杂质表面的形状各种冬样，有的呈凸曲面，有的呈凹曲面，还有的为深孔，这些基面具有不同的形核率。不同的表面形状具有不同的形核率三个不同形状的固体杂质上所形成的晶核体积不同：例如有三个不同形状的固体杂质，如图2-17所示，形成三个晶核，它们具有相同的曲率半径R和相同的角，但是三个晶核的体积却不一样。凹面上形成的晶核体积最小a17.2，平面上次之b17.2，凸面上最大c17.2由此可见，在曲率半径和接触角都相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同而改变。三个不同形状的固体杂质上的形核效能不同凹曲面的形核效能最髙，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面居中，凸曲面的效能最低。三个不同形状的固体杂质上所需要的过冷度不同：因此，对于相同的固体杂质颗粒，若其表面曲率不同，它的催化作用也不同，在凹曲面上形核所需过冷度比在平面、凸面上形核所需过冷度都要小铸型壁上的深孔或裂纹：铸型壁上的深孔或裂纹是属于凹曲面情况，在结晶凝固时，这些地方有可能成为促进形核的有效界面。D过热度的影响过热度是指熔点与液态金属温度之差。液态金属的过热度对非均匀形核具有很大的影响：当过热度不大吋，可能不使现成质点的表面状态有所改变，这对非均匀形核没有影响。当过热度较大时，有些质点的表面状态改变了，如质点内微裂缝及小孔减少，凹曲而变为平面，使非均匀形核的核心数目减少。当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，这就使非均匀形核转变为均匀形核，形核率大大降低。E其它影响因素如振动搅拌提高形核率非均匀形核的形核率除受以上因素影响外，还受其它一系列物理因素的影响，例如在液态金属凝固过程中迸行振动或搅动1.一方面可使正在长大的晶体碎裂成几个结晶核心2.另一方面又可使受振动的液态金属中的晶核提前形成3.用振动或搅动提高形核率的方法，已被大量实验结果所证明