晶核的形成和成长剖析.ppt

第二节 晶体的生长 一.液-固界面的微观结构 粗糙界面——L-S原子并不完全分离，排列高高低低，粗 糙不平。 光滑界面——L-S原子分开，排列成平整的原子平面。 图 上页 下页 一、材料的熔化熵对晶体生长的影响 熔化熵是表征材料晶体生长特性的基本参数，用ΔS?/k= 表示。式中Δ S? =Ss–SL， k为玻尔兹曼常数， ΔH?为熔化热，Te为理论凝固温度。 （1） 2 （这种类型的界面在晶体生长时，液态原子可在界面上的任意位置转移到固相，导致晶体的连续生长。其生长速度v=kΔT， k是个很大的比例常数。 ΔH? kTe ΔH? kTe 上页 下页 2） =2~3.5液固界面只有一个原子层厚，通常称为光滑界面，界面上有许多台阶和扭折，液态原子只有附着于台阶和扭折上才能生长沿着台阶侧向生长的方向。当原子铺满了这一单原子层时生长即暂时停止，等到表面再产生新台阶再继续生长；但当晶体表面存在有螺型位错便能源源不断地提供生长台阶。 ΔH? kTe （3） ≈10 生长速度很慢只能靠在液固界面上不断地二维形成才得以生长，这类材料的凝固过程，很大程度地取决于形核速度而不是生长速度。 二.温度对晶体生长的影响 kTe ΔH? 粗糙界面 负温度梯度：枝晶生长 正温度梯度：平面状生长 上页 下页 光滑界面 正温度梯度：一系列小台阶 负温度梯度：多面体 为什么会形成这样的形态？ 上页 下页 在正的温度梯度下，呈平面状生长。 （1）对于粗糙界面的晶体，其生长界面以垂直长大方式推进。由于前方液体温度高，生长界面只能随前方液体的逐渐冷却而均匀地向前推移。整个液固相界面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。界面上的温度相同并保持不变，由于粗糙界面的推移所需要能量较小，因此，大多数金属的动态过冷度相当小，晶体的生长界面与等温线几乎重合。 （2）对于光滑界面结构的晶体，其生长界面以小平面台阶生长方式推进。小平面台阶的扩展同样不能伸入到前方温度高于等温线的液体中去，因此从宏观看液固相界面似与等温线平行，但小平面与等温线呈一定角度。 在负的温度梯度下，呈树枝状生长。 晶体生长界面一旦出现局部凸出生长，由于前方液体具有更大的过冷度而使其生长速度增加。在这种情况下，生长界面就不 上页 下页 保持平面状而会形成许多伸向液体的结晶轴。 （1）对于粗糙界面结构的金属晶体，以树枝状方式生长。 （2）对于光滑界面结构的晶体，仍以平面生长为主，某些具有小平面的树枝状结晶特征。 上页 下页 返回 第三节 固溶体合金的凝固 一、合金凝固的三种典型情况 1、平衡凝固 平衡分配系数： 平衡时固溶体的成分是均匀的。 上页 下页 2、不平衡凝固 （1）固相内无扩散，液相内能达到完全均匀化，因为是不平衡凝固，所以平衡分配系数不是整个固相和液相在成分上的平衡分配，而是局部平衡，是指在界面上液固两相必须保持一定的溶质分配。 （2）固相内无扩散，液相内只有扩散没有对流溶质原子只能部分混合。 上页 下页 C0 曲线1 曲线3 曲线3 曲线3 曲线1 曲线2 图6-16 合金凝固三种情况的溶质分部曲线比较 曲线1——平衡凝固 曲线2——不平衡凝固，液体内溶质能均匀混合 曲线3——不平衡凝固，液体内只有扩散无对流 k0C0 上页 下页 二、固溶体的稳态凝固 上页 下页 液相中溶质原子完全混合： 液相中溶质原子部分混合： 液相中溶质原子依靠扩散来混合： 上页 下页 有效分配系数： 图 下页 上页 下页 上页 下页 例题 图 上页 下页 后退 上页 下页 三、成分过冷 1.成分过冷的概念：在合金正常凝固时在液固相界面前沿液体中存在着溶质偏聚，导致了界面前沿液体溶点的改变。合金液体的熔点随着溶质浓度的变化由相图中的液相线确定。在Ko1的情况下，液体熔点随溶质浓度的提高而下降。界面前沿过冷的产生将不仅取决于界面前沿液体中实际温度的分布，还与溶质浓度的分布有关，这种与液体中溶质浓度相关的过冷称成分过冷。 上页 下页 * 第六章 材料的凝固 晶核的形成 晶体的生长 固溶体合金的凝固 共晶合金的凝固 概述 制造工艺及凝固组织 返回 下页 材料由液态到固态的转变过程称为凝固。金属及合金一般都要经过熔炼与铸造，也就是说要经过由液态转变为固态的凝固过程。金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。因此，了解有关金属和合金的结晶理论和结晶过程，不仅对控制 概述 上页 下页 铸态组织，提高金属制品的性能有重要的指导作用，而且也有助于理解金属及合金的固态相变过程。 合金