材料科学基础-第5章分析.ppt

第五章 晶体生长与晶体缺陷 概述 §5.1 液体的性质和结构 §5.2 凝固的热力学条件 §5.3 形核过程 §5.4 晶体的长大 §5.5 铸锭的组织 §5.6 单晶体的凝固 第五章 晶体生长与晶体缺陷 §5.7 玻璃态与金属玻璃 §5.8 点缺陷 §5.9 线缺陷 §5.10 面缺陷 §5.1晶体形成的一般过程 2、凝固状态的影响因素 §5.1结晶的热力学条件 二、结晶的热力学条件 三、结晶的潜热 四、结晶时的过冷现象 五、结晶的一般过程 五、结晶的一般过程 §5.3 形核 一、自发形核 一、自发形核 rr*时，晶胚长大将导致系统自由能的增加，这种晶胚不稳定，瞬时形成，瞬时消失。rr*时，随晶胚长大，系统自由能降低，凝固过程自动进行。r=r*时，可能长大，也可能熔化，两种趋势都是使自由能降低的过程，将r*的晶胚称为临界晶核，只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。极值点处  v 临界晶核半径随过冷度增大而减小。 称为临界晶核形成功，简称形核功，上式表明，当r=r*时，临界晶核形成时的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是过冷液体金属开始 形核时的主要障碍。形核功来自何方？在没有外部供给能量的条件下，依靠液体本身存在的“能量起伏”来供给 二、形核率 形核率受两个相互矛盾的因素控制： 当 ΔT 不大时，形核率主要受形核功因子控制， ΔT 增大，形核率增大，在 ΔT非常大时，形核率主要受扩散因子的控制，随 ΔT 增加，形核率降低。 晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系 金属材料形核率与温度的关系如图所示形核率突然增大的温度称为有效形核温度，此时对应的过冷变称临界过冷度约等于0.2Tm。 三、非自发形核 三、非自发形核 三、非自发形核 §5.4 晶核的长大 三、正温度梯度下晶体的长大 四、负温度梯度下晶体的长大 四、负温度梯度下晶体的长大 五、非金属晶体的长大 六、界面结构对晶体生长影响 二、铸件晶粒大小的控制 §5.5凝固体的结构 四、铸锭中的组织缺陷 §5.6 单晶的制备 §5.7 非晶态固体的形成 小结 决定晶粒尺寸的要素： 从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决定于N/G，即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理与方法：生产过程通常希望材料得到细小的尺寸，为此控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低浇注温度和加快冷却速度，如金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺寸达不到快速冷却。第二，加变质剂即人为加入帮助形核的其它高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。第三，铸件凝固中用机械或超声波震动等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料，对这些因素进行相反的操作。 第四节 凝固理论的应用举例 表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。 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。 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，降到凝固店以下后，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。 力学性能 表层硬 柱状区有方向形 中心疏松、多杂质 第四节 凝固理论的应用举例 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