《材料科学基础教学资料》第五章金属材料的结构特征_材料科学基础.docVIP

第五章 金属材料的结构特征 晶体的凝固通常在常压下进行，从相 律可知，在纯晶体凝固过程中，液固两项处于共存，自由度等于零，故温度不变，按热力学第二定律，在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。 1.1晶体凝固的热力学条件 1.1.1形核 (1)均匀形核 1）晶体形成时的能量变化和临界晶核 2）形核率 （下图 为形核率与速度之间的关系） (2) 非均匀形核 除非在特殊的试验条件下，液态金属中不会出现均匀形核。 1.2晶体长大 1.2.1.液－固界面的构造 晶体凝固后呈现不同的形状，如水杨 酸苯脂呈现一定晶核长大，由于它的晶边呈 小平面，称为小平面形状 1.2.2 晶体长大方式和生长速率 (1）连续长大 （右 图为连续长大速率和过冷度的关系图） (2) 二维形核 (3) 藉螺型位错生长 1.3 结晶动力学及凝固组织 1.3.1 结晶动力学 由新相的形核率N及长大速率Vg可以计算在一定温度 下随时间改变的转变量，导得结晶动力学方程。 1.3.2纯金属凝固时的生长形态 纯晶体凝固时生长形态不仅与液－固 界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况，温度分布可有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度 。 1.4纯金属的界面不稳定性 1.5 纯金属凝固微观组织 对于从型壁向中心凝固的纯金属（a，b），其柱状晶具有基本上是平面的界面，而且 向着与热通量相反的方向生长。 第二 节 单相固溶体的凝固及结晶 2.1 匀晶相图和固溶体凝固 2.1.1匀晶相图 由液相结晶出单相固溶体的过程称为 匀晶转变，绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分。 2.1.2.固溶体的平衡凝固 平衡凝固是指凝固过程中的每个阶段 都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。 2.1.3固溶体的非平衡凝固 固溶体的凝固依赖于组元的扩散，要 达到平衡凝固，必须有足够的时间使扩散进行充分，但在工业生产中，合金溶液浇铸后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平 衡条件，成为非平衡凝固 第三 节 两相共晶体的凝固及结晶 3.1 共晶凝固理论 3.1.1共晶组织分类及其形成机制 100多年来，人们发现了多种多样绚丽多彩的共晶组织，晶大致归类，分为层片状、棒状（纤维状）、球状、针 状和螺旋状等 。 3.1.2层片状生长的动力学 由前述层片状共晶形成机制可知，液 相首先由某一相形核，称为领先相。假如是以A组元为基固溶体α为领先相，它的形成将排出多余的B组元，当α相前沿液体中B组元的富集促进了以B组元为基的固溶体β的形成。 3.1.3 共晶界面的稳定性 （1） 纯二元共晶 （2）含杂质的二元共晶 （3）二元伪共晶 3.2 共晶相图及其合金凝固 3.2.1共晶相图 组成共晶相图的两组元，在液态可无 限互溶，而固态只能部分互溶，甚至完全不溶。两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此，液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称 为共晶温度。在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。 3.2.2 共晶合金的平衡凝固及其组织 3.2.3共晶合金的非平衡凝固 （1）伪共晶 （2）非平衡共晶组织 某些合金在平衡凝固条件下获得单相 固溶体，在快冷时可能出现少量的非平衡共晶体，如下图中a点以左或c点以右的合金。 本章小结 金属开始凝固的温度恒低于其熔点。这种现象称为过冷。过冷度随液体冷却速度的提高而增大。 金属凝固的基本过程是形核与晶核的长大。形核的热力学驱动力是固体与液体的自由焓负差值。只有在过冷 的条件下才具有这一动力。形核的热力学阻力是固体-液体的界面能，即晶核的表面能。 将要凝固的液体中存在着许多大小不等的晶胚，其表面能一般均超过固-液自由焓负差值，其中大多数将时而出现，时 而消散。几何尺寸超过一定临界值的晶胚则可以稳定长大，这就是晶核。较小的晶胚可由于热起伏而增大其尺寸并成为晶核。具有临界尺寸的晶胚表面能仍大于固-液自由焓负差值，这些晶胚的出现仍使系统 自由焓增大，而且增大程度超过较小的晶胚。但这种晶胚继续长大时却可使总自由焓下降。出现具有临界尺寸的晶胚产生的自由焓增值称为形核功。 无择尤位置形核称为均匀形核，反之则称为非均匀形核。以均匀形核方式凝固比以非均匀形核方式凝固过冷 度大得多。形核率与过冷度有关。形核率-过冷度曲线为具有最高点的上凸曲线。 晶核长大时也需要一定的动态过冷度，但数值较小。长大机制决定于液固界面的微观结构。典型金属凝固时 具有微观粗糙的固-液 界面，这种界面以垂直长大机制迁移。长大速度-过冷度曲线也是具有最高点的上凸曲线。 单位体积铸造金属中的晶粒数与