材料科学基础单组元相图纯晶体的凝固详解.ppt

第六章 单元组相图及纯晶体的凝固 本章主要内容 1.凝固的基本概念 2.单元系相变的热力学及相平衡 3.纯晶体的凝固（形核和长大） 4.凝固理论的主要应用 5.气固相变及薄膜长大 6.高分子的结晶特征 本章要求 1.纯金属凝固的过程和现象。 2.结晶的热力学、动力学、能量和结构条件。包括一些重要的公式。 3.过冷度对结晶过程和结晶组织的影响；过冷度、临界过冷度、有效过冷度、动态过冷度之间的区别。 4.重要概念：过冷度、结构起伏（相起伏）、能量起伏、浓度起伏、晶胚、晶核、临界晶核、临界晶核半径，临界形核功，形核率，均匀形核，非均匀形核。 5.均匀形核与非均匀形核的异同点。临界形核功的计算；形核率的计算及影响因素。非均匀形核时影响接触角θ的因素有哪些? 6.液—固界面的结构及温度梯度，晶体生长形态?、生长条件和长大机制。界面的生长形态与L/S前沿的温度梯度有何关系？ 7.凝固理论的实际生产应用；如：变质处理和其它细化晶粒的工艺；单晶的制取和定向凝固技术。控制结晶组织的措施。 概 述 ? 系统：所研究的原子、分子的集体。 单组元晶体(纯晶体)：由一种化合物或金属组成的晶体。该体系称为单元系(one component system)。 组元(component)：组成体系的最基本、独立的物质。可以是单一元素也可以是稳定的化合物。 合金(alloy)：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特性的物质 合金系(alloy system)：由给定的组元可以以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。通常把具有N个组元都是独立的体系称为N元系，单、二、三、多元系。 单、双、多相合金： ? 物质在温度、压力、成分变化时，其状态可以发生改变。物质状态转变过程为：汽态←→液态←→固态 从一种相转变为另一种相的过程称为相变(phase transformation)。 若转变前后均为固相，则为固态相变(solid phase transformation)。 从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。 若凝固后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。 凝固过程是一个从无到有、从小到大，即形核和长大的过程。形核和长大过程在整个系统内是重叠交错的。 几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工件或器件以前都要经过凝固阶段。凝固的主要应用-铸造。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。 相(phase)：一个物系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。 相图(phase diagram)：表示合金系中合金的状态（相的类型和数量）与成分、温度、压力之间的关系的图形。 相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量轨迹的几何表达，又称为平衡图或状态图。 单组元相图(single phase diagram)是表示在热力学平衡条件下所存在的相与温度，压力之间的对应关系的图形。 利用相图，我们可以知道在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。 相图的用途： 由相图可以知道材料的凝固或熔化温度及系统中可能发生的固态相变或其他转变； 材料的性能与相图有一定关系，掌握了有关相图的知识，就可以通过相图预测材料的某些性能； 相图是材料科学工作者必不可少的?重要工具。 相图的局限性： 相图是描述体系平衡状态的，不能说明达到平衡过程的动力学，不能知道转变后的组织，也不能判断体系中可能出现的亚稳相。由于固态材料往往难达到整体稳定的平衡，实际测得的相图多数都或多或少地偏离真正平衡，甚至有些相实际上是亚稳相。 6.1 单元系相变的热力学及相平衡 6.1.1 相平衡条件和相律 1. 相平衡的条件 通过一些数学推导和系统平衡条件dG=0可得：处于平衡状态下的多相(P个相)体系中，每个组元(共有C个组元)在各项中的化学势(chemical potential)都彼此相等。 相平衡(phase equilibrium)：某一温度下，系统中各相长时间不相互转变，处于平衡状态。是一种动态平衡。 2.相律