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金属快速凝固-2014
金属快速凝固技术的应用和研究进展 北京科技大学 毛卫民 2.1概述2.1.1 金属的一般凝固过程 ?凝固是自然界一种很普遍的自然现象,如冬天河水的结冰、冬天窗户玻璃上的冰花、较低温度下冰醋酸的结晶、火山喷射熔岩的结晶等都是某种凝固现象。 ?金属凝固也是一种很普遍的人为现象,如钢锭的凝固、铸件的凝固、连续铸坯的凝固、高温合金的定向凝固、金属焊缝的凝固等都与凝固密切相关。 ?凝固的作用:在冶金生产、铸件生产和金属材料制备中,凝固是基本过程之一,具有十分重要的作用。 ?金属凝固定义:金属熔体在冷却过程中由液态转变为固态晶体的过程。 ?晶态金属的凝固属于一级相变,即从微观看,凝固过程不能突变,而是包含形核与长大两个阶段的渐变过程。另外,凝固过程中还伴随着溶质再分配、成分过冷和成分偏析。 (1)形核 从金属液中形成结晶核心,必须满足一定的热力学和动力学条件。 ?热力学条件: 以纯金属或单相合金的均匀形核为例。从金属液中形成晶核时,单位体积的自由能变化应该满足下式: ?如果忽略H、S随金属熔体温度而发生的变化,同时假设纯金属或单相合金的晶核表面为平面,当T=Tm时,下式成立: 将(3)式带入(1)式,得 : ?当金属熔体的温度低于其平衡熔点温度时,单位体积金属的固液自由能差小于零,即形核才有驱动力。 ?因为实际晶核的表面为曲面,使晶核固相的实际熔点低于Tm ,所以,为了保证形核的进行,必须具有足够的过冷度。 ?动力学条件: ?从热力学条件分析,只要⊿T?0,形核就有驱动力,形核就可以进行,但实际上,有时当⊿T?0时,热力学上的驱动力对形核仍然不够,这时形核还必须满足一定的动力学条件。 ?假定晶核为半径r的小球,形核时其系统的自由能变化为: ?将(5)式的各个部分与r的关系作成图2-1。由图2-1分析,当晶核半径小于某一个值时,晶核系统的自由能⊿G随晶核半径的增加而变大,即晶核的成长变得越加困难;只有当晶核半径超过某一个值时,晶核系统的自由能⊿G随晶核半径的增加而变小,即晶核的成长变得越加容易;晶核系统的自由能随晶核半径的变化存在一个极大值。 图2-1 金属均匀形核时能量变化规律 ?对(5)式的系统自由能⊿G求极大值,该极大值及所对应的晶核半径为: ?rc为临界晶核半径,⊿Gc为形核势垒或形核功,即当晶核半径小于rc,随着晶核的增大,其系统的自由能不断变大,最大值为⊿Gc ,而且大于零。形核势垒无法由热力学驱动力克服,只能由能量涨落克服,即如果临界晶核具有⊿Gc的额外能量,这个临界晶核就可以存在下去,如果临界晶核不具备的额外能量,这个临界晶核就无法存在下去,将会消失。 ?从(7)式看,过冷度越大,形核势垒越小,由能量涨落提供形核的额外能量就越小,金属熔体形核就越容易。 ?如果存在外来的形核基底,即外来核心,金属熔体形成晶核的势垒可能会进一步减小,这就是非均匀形核。 ?非均匀形核时的势垒如下式: (2)晶核长大 ?晶核长大就是指晶核的固液界面不断向熔体中推进的过程。当晶核半径rrc后,晶核的长大将伴随系统自由能的减小,晶核将自动的不断长大。 ?晶核的长大方式:粗糙界面的连续长大,即晶核固液界面向熔体中连续推进;平整界面的二维晶核长大,即晶核固液界面上原子台阶侧向移动的间接向前推进的不连续长大;螺旋位错长大,即液体原子沿晶核螺旋位错的台阶逐层地堆砌推进,也属于不连续长大。 ?晶核的长大方式主要取决于熔化熵的大小。 ?金属的熔化熵一般都比较小(17J/mol?K),晶核固相界面为粗糙界面,以连续方式长大; ?大多数非金属晶体的熔化熵比较大,晶核固相界面为光滑界面,以不连续方式长大。 (3)晶粒尺寸、形貌和溶质再分配 ?晶粒尺寸: 金属最终晶粒的尺寸主要与形核速率I和长大速率R有关,即单位体积金属中的晶粒数目N越大,晶粒尺寸就越小,晶粒就越细,它们之间的关系符合下式: ?晶体形貌: ?金属晶体的形貌取决于固液界面前沿的温度梯度和熔化熵⊿Sm 。 ?如果从固相向液相的温度梯度为正: ?对于熔化熵⊿Sm17J/mol?K的非金属,固液界面为平滑的晶体小平面,晶体形貌为规则的几何形状; ?对于熔化熵⊿Sm 17J/mol?K的金属,固液界面为平面,晶体形貌为任意形状。 ?如果从固相向液相的温度梯度为负: ?对于熔化熵⊿Sm 17J/mol?K的金属,晶体形貌为树枝晶; ?对于熔化熵⊿Sm 17J/mol?K的非金属,只要熔化熵不是很大,晶体形貌也易于发展为树枝晶, ?对于熔化熵⊿Sm很大的非金属,晶体形貌仍为规则的几何形状。 ?溶质再分配: ?以固溶体金属为例,金属在凝固时,溶质元素在固液相中
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