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合金相图及合金的凝固Alloy Phase Diagrams and Solidification of Alloys 纯金属凝固理论（Solidification Theory of Pure Metals） 二元合金相图与凝固理论（Binary Alloy Phase Diagram and Solidification of Binary Alloys） 三元合金相图及凝固（Ternary Alloy Phase Diagram and Solidification of Binary Alloys） 纯金属的凝固Solidification of Pure Metals 形核与长大Nucleation and Growth 1、液态金属的结构： 金属熔化时物理性质的变化 ? 体积膨胀约3～5%、配位数约11、原子间距增加约1～1.5%: 原子间结合力仍很强！?熔化潜热约为蒸发热的3～7％：原子间结合力仍很强； 液态金属的结构更接近固体 一、Structure of Liquid Metals?Short-Range Order 近程有序 ?Structural Fluctuation 结构起伏?Composition Fluctuation 成分起伏 近程有序：在液体中的微小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团结构起伏：近程有序的原子集团处于不断变化，瞬间出现、瞬间消失、变化不定能量起伏：液体中各微区的能量暂时偏离平衡能量、处于彼此起伏、变化不定 2、Properties of Liquid Metals?Fluidity 流动性 ?Viscosity 粘度?Surface Tension 表面张力?Diffusion Coefficient 扩散系数?Electric Resistance 电阻 凝固：金属由液态转变为固态的过程，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以这一转变过程又称为结晶 过冷：液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）以下还保持液态而不凝固过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，用?T表示结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量 凝固过程的热力学条件:过冷 过冷：液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）以下还保持液态而不凝固 G = H – TS dG＝Vdp－SdT dG/dT=-S DGv = GL – GS = HL-HS - T(SL-SS) = DH-T.DS DSm = DH/Tm DGv = (DHm/Tm).DT 金属凝固/结晶的结构条件:结构起伏 结构起伏：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团 rmax：某一温度下，液态金属中出现的尺寸最大的相起伏（结构起伏） rmax大小与 温度有关 结构起伏就是晶核的胚芽， 称为晶胚 Spontaneous Nucleation自发形核（均匀形核）: 自发形核（均匀形核）的能量变化 自发形核（均匀形核）的能量变化 非均匀形核 Effect of Wetting Angle q=0: Complete Wetting ?No nucleation is needed q=180: ?No wetting?Spontaneous Nucleation 非均匀形核的形核率 晶体长大 晶体长大 热力学条件:过冷 主要影响因素： 1、晶核的界面结构 2、界面附近的温度分布 纯金属凝固典型冷却曲线Typical Cooling Curve of a Pure Metal 固液界面的微观结构：光滑界面和粗糙界面 判断材料界面的微观结构类型 Atomically Rough S/L Interface（原子尺度）粗糙液固界面 Continuous Growth --连续生长 Non-faceted Phases (非小面相） 连续生长－Continuous Growth（Non-Faceted Crystal） 所需界面动力学过冷度很小 生长速度与过冷度呈线性关系 晶体外形圆滑、无棱角 Non-faceted Phases Atomically Smooth S/L Interface（原子尺度）光滑液固界面 Lateral Growth– 侧向生长 Faceted Phase—小面相 台阶侧向生长: lateral or edgewise growth 表面二维形核侧向生长Lateral Growth by Steps due to Surface Two-Dimensional Nucleation 所需动力学过冷度很大 生长速度与过冷度呈指数关系 晶体生长表面棱角分明(Faceted Crystal) 螺旋位错长大机制