金属工艺学17.ppt

第二章 纯金属的结晶 2 金属结晶的微观过程: 晶体的结晶过程 §2 金属结晶的热力学条件 §3 金属结晶的结构条件 θ=0o，f(θ)=0,ΔG’K=0 界面与晶核完全润湿 θ=180o，f(θ)=1, ΔG’K= ΔG 均界面与晶核完全不润湿 θ一般在0o - 180o ，0 f(θ) 1， ΔG’K总是小于 ΔG *均界面与晶核部分润湿 固体杂质结构的影响： 通常σαL 固定不变，θ取决于σLB - σαB 的值， σαB越小，cosθ越→1，即θ→0° 为此，固态质点与晶核的表面能越小，他对形核的催化效果越好，即结构越接近，表面能越低，越好。 杂质物基底形态影响临界晶格的体积 凹形基底的夹杂物形成的临界晶核的原子数最少，形核率大 过热度及其他： 过热温度接近或超过异质核心的熔点时，将发生核心的熔化 表面消失 物理方法的介入：震动和搅拌 作业 1、结晶时形核要点有哪些？ 2、2-3 3、2-4 实际纯金属： 随ΔT↑, N↑; 且ΔT =0.2Tm 金属玻璃 2 非均匀形核（非自发形核）： 晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。 θ越小 ΔG’K小，夹杂界面的非均质形核能力越强，形核过冷度越小 过冷度的影响： 形核功↓； ΔT=0.02Tm ┗ 远小于均匀形核 非均质形核的形核率 固体杂质形貌的影响： 结晶时形核要点 1、必须要有过冷度ΔT，晶胚尺寸rrK。 2、rK与ΔT成反比。ΔT↑ rK↓。 3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 ——液体中的自然现象。 4、结晶必须在一定温度下进行(扩散条件) 5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。 均匀形核ΔT=0.2Tm 非均匀形核ΔT=0.02Tm * * 结晶 ： 金属由液态转变为晶体金属的过程 ——金属生产的第一步 本章目的： 1. 了解金属结晶过程的形核、长大。 2. 理解金属铸锭的组织与缺陷。 3. 掌握金属结晶的热力学条件和结构条件 §1 金属的结晶 结晶概念: 物质由液态转变为具有晶体 结构的固相的过程称为～ 纯金属结晶时的热分析曲线特点： —— 冷却曲线( T-t ) 低于熔点才发生结晶 存在结晶平台 1 金属结晶的宏观现象： (1) 过冷现象 金属在低于熔点的温度结晶的现象 ΔT=Tm-Tn 随金属的本性和纯度，以及冷取速度不同在一定范围内变化 (2) 结晶过程伴随潜热释放 结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。 金属结晶的微观过程: （1）形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程 （2）长大 晶核由小变大长成晶粒的过程 ——实际金属最终形成多晶体 注： 单个晶粒由形核→长大 多个晶粒形核与长大交错重叠 ** 当只有一个晶核时 → 单晶体 ** 晶核越多，最终晶粒越细 热力学：研究系统转变的方向和限度 ——转变的可能性 热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。 即ΔG = G(转变后) －G(转变前) 0 时 转变会自发进行 G: 体系自由能 T: 热力学温度 S: 熵，表征体系中原子排列混乱程度的参数 纯金属恒压条件下在液态、固态时的自由能GS 、GL 随温度的变化如下： 斜率不同的原因： S液S固 结晶时只有存在ΔT 才 能 保 证： ΔG V= GS －GL 0 从而使 L→S ┗ 结晶存在过冷度ΔT的原因 ——存在过冷度是结晶的必要条件 过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 另可推出： 结晶潜热 ——过冷度越大，相变驱动力越大 液态金属结构特点： (1) 原子间距等与固态相近, 与气态迥异 (2) 短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列 ——短程有序 晶体：长程有序 结晶的实质： 由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。 液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏” 相起伏特点： (1) 瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏; 瞬时 2 瞬时 1 ——又称为结构起伏