哈工大_金属学与热处理课件_-第2章.pdf

金属学及热处理 第2章 纯金属的结晶 第2章 纯金属的结晶 • 金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝 固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变 过程称为结晶。 • 在铸造、焊接、液态模锻和金属的半固态成形等 方面都存在金属的结晶问题。 • 金属结晶后所得到的组织对金属随后的加工和使 用性能影响很大。 • 与合金相比，纯金属的结晶比较简单。 第2章 纯金属的结晶 •本章的主要学习内容： 金属结晶的现象； 金属结晶的热力学条件； 金属结晶的结构条件； 晶核的形成； 晶核长大。 2.1 金属结晶的现象 2.1.1 结晶过程的宏观现象 • 热分析方法：在液态金属冷却结晶过程中,温度 与时间的变化关系曲线，从热分析曲线可以看 到如下两个宏观特征： （1）过冷现象 实际结晶温度T 低于理论 1 结晶温度T0 的现象。 过冷度：ΔT = T0 - T1 金属纯度越高、冷却速度 越快，过冷度越大。 纯金属结晶冷却曲线示意图 2.1 金属结晶的现象 2.1.1 结晶过程的宏观现象 （2 ）结晶潜热： 1mol物质从一个相转变为 另一个相时，伴随着放出和吸收 的热量称为相变潜热。 金属结晶放出热量。结晶 潜热补偿了散失到环境的热量， 保持结晶过程体系温度不变，在 ts tf 冷却曲线上出现平台。 结晶时间= tf - ts 结晶开始 结晶结束 2.1 金属结晶的现象 2.1.2 金属结晶的微观过程 当液态金属冷却至实际结晶温度时，晶核并未 立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一 批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同 时，液态金属中又继续产生新的晶核。就这样，液 态金属中不断形核、不断长大，使液态金属越来越 少，直到各个小晶体相互接触，液态金属耗尽，结 晶过程结束。 2.1 金属结晶的现象 2.1.2 金属结晶的微观过程 纯金属结晶过程意图 • 一个晶核长成的小晶体就是一个晶粒。晶核随机形 成，晶粒位向不同，众多晶粒组成一块多晶体。 • 如果只有一个晶核形成并长大，得到一块单晶体。 2.2 金属结晶的热力学条件 • 金属各相的状态都有其相应的自由能。物质的最稳 定状态一定是其自由能最低状态。物质由一个高自 由能状态向一个低自由能状态的转变是自发的，转 变前后的自由能差就成为该转变的驱动力。 • 无论金属是液态还是固态，其自由能均随温度和压 力的变化而变化，即： dG = VdP - SdT 式中：G为自由能；V为体积；P 为压力；S是熵；T 为热力学温度。 dG • 如果压力为常数，即dP = 0，则有: − S dT 2.2 金属结晶的热力学条件 • 熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参 数。熵值永远是正数，所以金属无论是液态还是固 态，系统的自由能总是随温度的提高而降低。 • 温度升高，原子活动能力提高，