材料科学与工程金属凝固学.ppt

第六章 液态金属结晶的基本原理 液态金属的结晶过程、生核过程 晶体生长界面动力学过程 单相合金的结晶 共晶合金的结晶 第一节 液态金属的结晶过程、形核过程 一、液态金属结晶的热力学条件 金属结晶是一个降低体系自由能的自 发进行的过程 二、液态金属的结晶过程 均质形核的临界过冷度0.18~0.20Tm 自发形核的形核率：一般情况下，纯金属的形核率随过冷度的增加而增大 非均质形核、均质形核过冷度与形核率 非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但球缺的体积比均质形核时体积小得多。所以，液体中晶坯附在适当的基底界面上形核，体积比均质临界核体积小得多时，便可达到临界曲率半径，因此在较小的过冷度下就可以得到较高的形核率。 （三） 动力生核 第二节 晶体生长界面动力学过程 晶核形成之后不断长大的过程——晶体的生长 影响因素： 固-液界面生长的动力学过程（界面结构+生长机理） 固-液界面前沿液体中的温度条件（传热） 对合金，界面前沿液体的浓度分布（传质） 一、晶体生长中固-液界面原子迁移 界面上始终存在着从液体和固体方面的原子在具有大于激活能的能量时，跃过界面并在另一表面“定居”的情况，两个相反方向的原子迁移过程同时存在。 当凝固速度大于熔化速度时，晶体才能生长，此时界面温度低于熔点 动力学过冷度 二、固-液界面的微观结构 粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。 光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。 粗糙界面与光滑界面是在原子尺度上的界面差别，注意要与凝固过程中固－液界面形态差别相区别，后者尺度在μm 数量级。 界面结构类型的判据 ? 被称为Jackson因子， ? ≤2的物质，凝固时固-液界面为粗糙面，因为x=0.5（晶体表面有一半空缺位置）时有一个极小值，即自由能最低。大部分金属属此类； 界面结构与熔融熵 熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。 界面结构与晶面族 根据 当固相表面为密排晶面时， 值高，如面心立方的（111）面， 对于非密排晶面， 值低，如面心立方的（001）面， 。 值越低， ?值越小。这说明非密排晶面作为晶体表面（液-固界面）时，容易成为粗糙界面。 界面结构与冷却速度及浓度 过冷度大时，生长速度快，界面的原子层数较多，容易形成粗糙面结构。小晶面界面，过冷度ΔT增大到一定程度时，可能转变为非小晶面。过冷度对不同物质存在不同的临界值， ? 越大的物质，变为粗糙 面的临界过冷度也就越大。 如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。 合金的浓度有时也影响固-液界面的性质。 三、界面的生长机理和生长速度 上述固-液界面的性质（粗糙面还是光滑面），决定了晶体长大方式的差异。 1、连续长大 粗糙面的界面结构，许多位置均可为原子着落，液相扩散来的原子很容易被接纳与晶体连接起来。由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。 2、台阶方式长大（侧面长大） 光滑界面在原子尺度界面是光滑的，单个原子与晶面的结合较弱，容易脱离。只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，依靠台阶向侧面长大。故又称“侧面长大”。 “侧面长大” 方式的三种机制 晶体长大速度 1、连续长大 2、二维晶核台阶长大 3、螺旋位错台阶长大 四、晶体的生长方向和生长表面 第三节 单相合金的结晶 单相合金：结晶过程只析出一相；其中纯金属是特例。 多相合金：结晶过程析出两个以上新相的合金。 二、单相合金结晶过程中的溶质再分配 1. 溶质再分配现象的产生 结晶是一个非平衡过程，界面不可能处于绝对的平衡状态。但单相合金大多为连续生长，可以忽略原子通过界面的阻力。而认为单相合金的生长仅取决于热的传输和质的传递——界面处固、液两相始终处于局部平衡状态中。 3. 平衡结晶时的溶质再分配 平衡凝固是指液、固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分，即固、液相中成分均能及时充分扩散均匀。 4. 非平衡结晶的溶质再分布 （1）