第五章 晶体生长与晶体缺陷1.ppt

§5.4 晶体的长大 长大的方式和快慢程度主要取决于固、液相界面的结构，界面前沿的温度梯度 晶体的凝固 形核过程：固相核心的形成 长大过程：晶核生长至液相耗尽为止 原子不断地从液相叠放在晶体上的过程 固液界面两侧原子迁移的过程 1. 引言 2. 液固界面微结构 光滑界面：界面处固液两相截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面，微观看界面是光滑的，宏观看由若干曲折的小平面组成，不平整，光滑界面称小平面界面。 粗糙界面：微观上高低不平，存在厚度为几个原子间距的过渡层的液固界面，在微观上粗糙，界面很薄，宏观上反而是平整光滑的，称非小平面界面。 3. 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。 2）合适的晶核表面结构 粗糙界面的物质长大机制：界面上有一半的结晶位置空着，液相中的原子直接添加到这些位置使晶体整个界面沿法线方向向液相中长大。称为垂直长大 光滑界面的物质长大机制分两种; 1 界面上反复形成两维晶核的机制 每增加一个原子层都需形成一个二维晶核，然后侧向铺展至整个表面。 （2）依靠晶体缺陷长大 液体中的原子不断添加到晶体缺陷的台阶上使晶体长大。 称为横向长大 两维晶核长大 依靠缺陷长大 4.长大速度 凝固过程中，晶体在不断长大，界面在单位时间向前推移的垂直距离称为长大线速度。 1）正温度梯度下晶体的长大 指液固界面前沿的液体温度随着界面的距离的增加而升高，结晶潜热只能通过已凝固的固体向外散失。 粗糙界面，当界面上有偶尔凸起而进入温度较高的液体中时，晶体生长速度会减慢甚至停止，周围部分会长上来使凸起消失。固液界面为稳定的平面状 光滑界面向液体中推进时，原子必须通过台阶的侧向扩展而生长，所以界面是台阶状 因此可理解为齐步走，称为平面推进方式生长。 2）负温度梯度下晶体的长大 负温度梯度是指液—固界面前沿的液体温度随着界面的距离的增加而降低，这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失，而且还可向低温的液体中传递。 界面某处偶然伸入液相，则进入了ΔT更大的区域，以更大的速率伸入液相中形成一个晶轴。由于晶轴结晶时向两侧液相中放出潜热，使液相垂直于晶轴的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次晶轴。二次晶轴上又会长出三次晶轴等，该生长方式称为树枝状生长 可理解赛跑的竞争机制，在凸起上可能再有凸起，如此发展而表现为树枝晶的方式长大。枝晶间的空隙最后填充，依然得到一完整的晶体。 关于树枝晶：按树枝方式生长的晶体称为树枝晶，先凝固的称为主干，随后是分支，再分支。值得指出的是：①纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶，但凝固过程中一般体积收缩，树枝之间若得不到充分的液体补充，树枝晶可保留下来； ②生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影响，同方向的分支可能出现小的角度差，互相结合时会留下位错； ③材料中含有杂质，在结晶时固体中的杂质比液体少，最后不同层次的分枝杂质含量不相同，其组织中可见树枝晶。 §5.5 铸锭的组织 铸锭组织分三个区域： 1）细晶区： 最外层由细小的等轴晶粒组成 2）柱状晶粒区： 垂直于模壁，长而粗的柱状晶粒区 3）等轴晶粒区： 中心部分由等轴晶粒组成，比表层的晶粒大 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固点以下，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。由于铸锭的散热方向垂直于模壁，柱状晶粒沿着垂直于模壁的方向长大。 表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为液态金属浇入温度远低于其熔点的铸模时，与模壁接触的一层液体的温度迅速降低到熔点以下，可以大量地形核并长大成为细晶粒区。 铸锭如何形成这样的晶粒区？ 力学性能 表层硬 柱状区有方向性 中心疏松、多杂质 铸锭中的组织缺陷 缩孔：大多材料凝固后体积收缩，留下的空腔就形成缩孔，缩孔是不可避免的，减少危害措施可后加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。 疏松：实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固的固体封闭而得不到液体补充而留下得缺陷。中部比边缘多，尺寸大得铸件比小尺寸铸件严重。型材的轧制可减小或消除其不利的影响。 气孔：液体中的气体在凝固中未排出在凝固体内形成的缺陷。气体的来源析出型 气体在液、固中的溶解度不同 和反应型 凝固过程中发生的化学反应生成 。 夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂