材料科学基础_第三章_凝固

1第三章凝固本章要点1金属结晶的基本规律和条件2金属结晶的形核与长大3陶瓷、聚合物的凝固4凝固理论的应用2第三章凝固熔化3第三章凝固炼钢浇注炼铜4第三章凝固凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。5第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规律1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。6第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规律2过冷现象supercooling（1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-T(见冷却曲线)注:过冷是凝固的必要条件(凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。7第一节材料结晶的基本规律第三章第一节结晶规律3结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。8第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件1热力学条件（1）G-T曲线相的自由能G=H-TSH为焓，由内能决定，S为熵，由原子的排列有序度决定，温度的升高，自由能下降，是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。dG/dT=-S液相曲线斜率大于固相：液相有序度低，则S大，相同温度下，曲线下降快，二曲线相交于一点，即材料的熔点。9第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件1热力学条件（2）热力学条件单位自由能的变化：△Gv=－Lm△T/TmLm=Gs-GL为溶化潜热，a△T=0,△Gv=0结晶处于平衡状态。b△T0,△Gv减少，结晶进行，因此：过冷是结晶的必要条件（之一）。c△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。d△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。10第二节材料结晶的基本条件第三章第二节结晶条件2结构条件（1）液态结构模型微晶无序模型拓扑无序模型（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。出现几率结构起伏大小11第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。1均匀形核（1）晶胚形成时的能量变化表面排列受力不对称，能量高于液态，心部原子排列规整，能量低于液态。△G＝-V△Gv+σS＝-(4/3)πr3△Gv+4πr2σ©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.12第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核(2)临界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk的晶胚。(3)临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk.△T≥△Tk是结晶的必要条件。13第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。14第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件1均匀形核（5）形核率与过冷度的关系N=N1(∆GK).N2(∆GA)由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。过冷度增大，临界晶核半径和形核功减小，而表面原子扩散速度也减小。15第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。（2）自由能变化：表达式与均匀形核类似。16第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（3）临界形核功计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算能量变化和临界形核功。△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核；b180θ0时,△Gk非△Gk,杂质促进形核；cθ=180时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。17第三节晶核的形成第三章第二节结晶条件2非均匀形核（4）影响非均匀形核的因素a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。b外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近（原子间距、密排面）。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）d物理因素：冲击、震动等2h18第四节晶核的长大第三章第四节晶核长大1晶核长大的条件（1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（图3-18）（是材料凝固的必要条件）（2）温度变化的方向（3）合适的晶核表面结构19第四节晶核的长大第三章第四节晶核长大2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面）：光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）20第四节晶核的长大第三章第四节晶核长大2液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面：垂直长大。以空位填充的方式长大，图3-23，长大速度与过冷度和热量的传导速度有关。光滑界面：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。速度慢，要求大的过冷度，图3-26为螺旋长大形貌21第四节晶核的长大第三章第四节晶核长大3液体中温度梯度与晶体的长大形态（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）热量通过固相向外散发，如铸锭的冷却过程。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.22第四节晶核的长大3液体中温度梯度与晶体的长大形态（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）过冷状态下，液固界面因结晶潜热的释放而温度较高，热量向两边散发。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.23第五节高分子材料的结晶第三章第五节高分子结晶特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢一与低分子结晶的相似性1结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。2结晶过程：形核与长大均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁为中心形核。3非均匀形核所需过冷度小。24第五节高分子材料的结晶第三章第五节高分子结晶特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢二与低分子结晶的差异性结晶的不完全性。一般50%，最高约95%。（1）链的对称性。对称性越高，越容易结晶。（2）链的规整性。规则的构型，有利于结晶，有利于共聚结晶。（3）链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。（4）共聚效应。25第六节凝固理论的应用第三章第六节凝固的应用1材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4（1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。（2）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。（3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。26第六节凝固理论的应用第三章第六节凝固的应用2单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。27第六节凝固理论的应用第三章第六节凝固的应用3定向凝固技术（1）原理：单一方向散热获得柱状晶。（2）制备方法。28第六节凝固理论的应用第三章第六节凝固的应用4急冷凝固技术（1）非晶金属与合金（2）微晶合金。（3）准晶合金。4h29第一章第三节原子不规则排列本章小结与习题讨论课1试述结晶相变的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。2在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶胚都不能成核。但如果有足够的能量起伏，是否可以成核？3液态金属凝固时需要过冷，那么固态金属熔化时是否需要过热？为什么？4假设凝固时的临界晶核为立方体形状，求临界形核功。分析在同样过冷度下均匀形核时，球形晶核和立方晶核哪一个更容易成？30