材料成形技术基础 第2章.ppt

纯金属晶体的长大方式 宏观长大 讨论固液界面所具有的形态 微观长大 讨论液相中的原子向固液界面堆积的方式 形核剂应该具备下述特点： 1.失配度小 衬底晶面总是力图与最相近的晶格常数与键型的晶面相结合，有完全共格对应与半共格对应界面。 界面原子间距对应程度可由点阵失配度来衡量。 三、形核剂 细化金属晶粒，改善材料性能。 ?当δ≤5％时，通过点阵畸变，可以实现晶面两侧的原子对应，这种界面就是完全共格界面。其界面能最低，促进非白发形核能力最强，形核率最高。 ?当5％δ25％时，则需要同时通过点阵畸变和位错来调节，才能实现部分共格对应，即半共格界面。 ?随δ增大，基底的形核能力会逐渐降低，最终导致形核能力完全丧失。 as 衬底原子间距 ac晶核无畸变的原子间距 2．粗糙度大 粗糙度大的形核剂对形核比较有利。 3．分散性好 形核剂使用时往往处于颗粒状或粉末状，若分散性不好，易聚成团，将会大大影响促进形核的效果。 4．稳定性好 指化学稳定性和高温稳定性。 晶体长大中固液界面的形态决定于界面前方液体中的温度分布 晶体宏观长大 平面方式长大 树枝晶方式生长 晶体微观方式长大 固液界面的吉布斯自由能 固液界面的微观结构 粗糙界面（x=0.5） 光滑或平整界面 (0.05x0.95) 从固液界面微观尺度考虑，可将其自然划分成粗糙界面和光滑界面，光滑界面也称为小晶面，而把粗糙界面又称为非小晶面。 光滑界面：界面上有很多空位被原子占据，或几乎所有空位被原子占有。光滑界面上仍允许有一些小的台阶存在。 粗糙界面：从原子尺度上看是粗糙的，但从宏观上看却是“光滑”的。 固液界面的结构 晶体生长方式由固液界面结构所确定，一般粗糙界面对应于连续长大，光滑界面对应于侧面长大。 界面越粗糙，原子长大沉积过程越容易。对于光滑界面，原子主要依靠台阶长大。对这两种长大方式，粗糙界面的连续长大要比光滑界面的侧向长大容易得多。 连续长大的含义是长大过程可以连续不断地进行；而侧面长大，在长大台阶消耗殆尽后，只有依靠在界面形成新的台阶，才能使长大过程持续进行。 生长方式 连续生长 侧面生长 二维晶核台阶生长 缺陷形成台阶生长 螺旋位错生长 旋转孪晶生长 反射孪晶生长 与形核过程类似，生长过程也需要克服能垒。即需要一定的过冷度，生长所需过冷度与晶体生长方式有很大关系。 当过冷度较小时，光滑界面趋向于螺型位错方式生长；过冷度较大时，则转为连续生长。二维生长方式对于光滑界面的晶体几乎是不可能的。在所有生长方式中，连续生长的速度始终是最快的。 生长速度 T 作业 P51：3、5 单相合金的凝固 ●什么是平衡分配系数？ ●非平衡凝固的Scheil方程与平衡凝固杠杆定律有何差别？ ●什么是成分过冷?它是怎么产生的?怎么判断成分过冷？ ●成分过冷与晶体生长形态有何关系？ 一、溶质再分配与平衡分配系数 在平衡凝固过程中，固液共存温度区间是从平衡相图中液相线温度开始，至固相线温度结束。随温度的下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化。可见，凝固过程中必有传质过程发生，固液界面两侧都将不断地发生溶质再分配现象，其原因在于各组元在不同相中化学位不同。 单相合金：凝固时只析出一个固相的合金。 多相合金：凝固同时析出两个以上相的合金。 设界面的温度为T*，则固相侧薄层中的溶质含量为CS*，液相侧薄层中溶质的含量为CL*，将两者之比定义为平衡分配系数 K0： K0 = CS*/ CL* 对大多数单相合金，K01 溶质在固相中的扩散率比在液相中要小3个数量级 。 单位等截面的单元体质量为1，固相质量分数ws与液相质量分数wL，在任何时刻都满足关系：ws+wL=1 此外，不计溶质在固相中的扩散。在液相均匀混合的条件下，可以得到下面的非平衡杠杆定律(也称为Scheil方程)：? CS*=K0C0(1-ws)k0-1 ? 二、非平衡凝固时的溶质再分配 如果液相中溶质并不能均匀混合，固液界面前方将存在一个溶质边界层δ(如图2．24所示)，此时Scheil方程仍适用，但需对平衡分配系数K0加以修正，用有效平衡分配系数Ke代替K0即可。系数Ke与固液界面推进速度、溶质边界层厚度和溶质液相扩散系数有关。 一般凝固条件下固液界面液相侧形成溶质边界层δ 一般凝固条件下，固液界面前沿液相溶质将形成一个溶质富集的边界层(对K01的合金)。这种溶质富集，导致液相凝固温度TL发生改变，与界面前沿实际温度Ta相比，产生差异，此差异可能引起过