二凝固热力学概要.ppt

二 凝固热力学 一) 液态金属的结构 1 固体金属的加热膨胀与熔化 2 液态金属结构 1)液态金属与固体金属的差别 与气体相比，液体与固体的结构有相似性： ①　汽化潜热与熔化潜热的比值很大。 ②　金属从固态转变到液态其熵值变化不大。 ③　物质的固态和液态在其熔点附近有很多相似之处 　液态和固态之间的差别： ①　固体熔化时，体积膨胀３％。 ②　液态合金中的溶质扩散系数比固体合金中的溶质的扩散系数通常大１０００倍。 ２）液态金属的研究方法 到目前为止，液态金属结构研究的主要手段是中子散射与X射线衍射两种方法。 在实验过程中，由于受到极化、吸收和衍射几何的影 响，必须对衍射结果进行校正，校正后的强度包含三 项：相干散射、非相干散射与多重散射，一般情况下 只要获得原子的散射因子和非相干散射因子，就可以 得到液态金属的相干强度和非相干强度与倒空间坐标 之间的关系。 ３　液态金属的遗传性 ①炉料的组织和缺陷对凝固后铸件或毛坯的组织和缺陷有影响； ②在液态合金中加入合金元素后，改变了合金中元素与元素之间的相互作用，进而影响凝固后铸件或毛坯的组织； 　液态金属或合金的结构对凝固后铸件或毛坯的组织有影响，这些影响液态金属或合金熔体结构进而影响凝固后铸件或毛坯的组织与性能称为液态金属或合金的遗传性。 １）组织遗传性 ２）液态金属结构的遗体性 二）　二元合金的稳定相平衡 １凝固热力学的主要任务是研究: 金属凝固过程中各种相变的热力学条件； 平衡或非平衡条件下的固、液两相或固液界面的溶质成分； 溶质平衡分配系数的热力学意义及压力、晶体曲率对凝固过程的影响； １）对于纯金属在低于熔点温度Tm凝 固时，其凝固驱动力可以用 过冷度愈大，凝固驱动力也越大 凝固过程愈易于进行。 有些金属在恒压下其固相有多种晶体结构，各自在其熔点温度与液相平衡。 在液态金属连续冷却过程中，在较低温度发生相变时，大的过冷度下，析出亚稳相的可能性还是很大的。 2） 压力对平衡温度的影响 当压力和温度改变时，相和相吉布斯自由能变化分别是： 2-1 2-2 由： 得： 2-3 由 平衡时， 代入前式得 C-C方程： 2-4 平衡温度与压力的关系：当相变体积减小时，压力的增加将引起平衡温度的升高；相反，当相变体积增加时，压力的增加将引起平衡温度的降低。 3） 表面曲率以平衡温度的影响 在凝固时，表面曲率以固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力与界面张力相平衡的。 当任一曲面体的体积增加 ，面积增加 时，附加压力 与界面张力 的关系为： 2-5 三维空间任一曲面物体的曲率可表示为： 2-6 附加压力对液、固两相吉布斯自由能的影响： 2-7 两相平衡时，由于曲率引起的平衡温度的改变为： 2-8 曲率半径r越小，曲率k值愈大时， 愈大，平衡温度愈低． ２化学势 多元合金系中，组元i的化学势可表示为： 2-9 在恒温、恒压条件下，多元系统的吉布斯自由能可表示为： 2-10 二元体系中： 2-11 也可表示为： 2-12 把　　　　　代入上式可得：