金属学与热处理2剖析.ppt

第二章 纯金属的结晶 第二章 纯金属的结晶 引言 材料的化学成分和组织结构决定了材料的性能。 在材料的化学成分一定的情况下，材料性能主要有材料的内部组织结构来决定。 一定成分的材料，其组织结构主要取决于材料的制备和加工过程。 绝大多数金属材料的制备和加工(冶炼、铸造、焊接等)都要经历材料有液态到固态的凝固过程或结晶过程，很多情况下材料的凝固或结晶决定了材料内部的组织结构，从而决定了材料的性能。 凝固或结晶后尚需后续加工的材料（轧制、锻造、热处理等），其结晶组织对后续加工有重要影响。 结晶作为一种相变，是其它相变的基础。 2.1 金属结晶的现象 凝固： 液体 -- 固体（晶体 或 非晶体） 结晶： 液体 -- 晶体； 一、金属结晶的宏观现象 1.过冷现象（supercooling） 液态金属实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。 T1 T0 , △T = T0－T1 —— 过冷度 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大；冷速越小，过冷度越小；冷速接近平衡冷却时，过冷度接近0。 2.结晶潜热 液态金属结晶为固态金属时所释放出的热量叫结晶潜热。 冷却曲线上的平台就是因为结晶潜热的释放补偿了体系向环境的散热所致。 冷却曲线上的第一个转折点对应结晶开始点，第二个转折点对应结晶终了点。 T=T0时，GL=Gs，固液两相共存，热力学平衡状态，对应理论结晶温度T0； T﹤T0 时，GL〉Gs，液相将自发地转变为固相，即金属发生结晶。 液、固两相的自由能差△G是液态金属结晶的驱动力。 △Gv = Lm *△T/Tm，单位体积的金属结晶时的驱动力△Gv与过冷度△T成正比， △T=0， △Gv=0，不能结晶。 2.3 金属结晶的结构条件 金属的结晶是晶核的形成和长大过程，而晶核是由晶胚生成的。 液态金属中原子的排列短程有序、长程无序。但短程有序的原子集团处于瞬间出现、瞬间消失，此起彼伏、变化不定的状态。该不断变化的短程有序原子集团称为结构起伏（或相起伏）。 液态金属的一个重要特点是存在着相起伏，相起伏的尺寸随温度变化而变化，温度低，相起伏尺寸大，只有在过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。 并不是所有的晶胚都可以转变成为晶核。 2.4 晶核的形成 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 液体中各个区域形核几率相同的叫均匀形核。 以液体某些区域优先形核叫非均匀形核。非均匀形核更为普遍。 当 rrk 时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。当 rrk 时，晶胚的长大使系统自由能降低，这样的晶胚称为临界晶核，rk为临界晶核半径。 形成临界晶核需要的能量称为临界晶核形核功 ΔGk,即 2.形核率 N 通常称单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量称为形核率。用N表示（cm-3 s-1）。形核率N受两个矛盾的因素控制，一方面随过冷度增大，rk、ΔGk 减小，有利于形核；另一方面随过冷度增大，原子从液相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核。形核率可用下式表示： 如图为N1、N2与ΔT的关系曲线。可见当 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。 则： 球冠与金属液的接触面积为S1 = 2πr2（1- cos θ ） 球冠底面积为S2 = πr2 sin2 θ 球冠体积为V = πr2（2-3 cos θ + cos3 θ ）/3 当晶核形成时，体系增加的表面能为 ΔGs = S1 σαL+ S2 σαβ _ S2 σLβ = S1 σαL + S2 （ σαβ _ σLβ ） 在球冠边缘处，表面张力平衡 σLβ = σαβ _ σαL cos θ 系统自由能变化 ΔG = V ΔGv + ΔGs = (4πr3ΔGv/3+4πr2σαL) (2-3cosθ+ cos3θ)/4 临界晶核半径 由：cosθ =(σLβ－σαβ) /σαL 得知， σαβ越小，θ越小 总之，非均匀形核比均匀形核容易。 影响非均匀形核形核率的因素 a 过冷度：非均匀形核的有效过冷度约为0.02Tm。 b 外来物质表面结构：θ越小越有利。由： cosθ =(σLβ－σαβ) /σαL 得知， σαβ越小，θ越小 点阵匹配原理：结构相似， 点阵常数相近。 c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。 2.5 晶核长大 晶核形成后，马上进入长大阶段。 晶核长大在宏观上表现为固液界面向液相一侧的推移，微观上是液相原子向固相晶