材料科学基础第六章讲解.ppt

控制晶粒大小措施之三－物理法 （3） 物理因素 a.振动：机械式、电磁式、超声波枝晶破碎。 b.搅拌： 垂直提拉法： 2. 单晶的制备 将坩埚中原料加热熔化，并使其温度保持在稍高于材料的熔点之上。 将籽晶夹在籽晶杆上。 让籽晶与熔体接触。 将籽晶一面转动一面缓慢地拉出，即长成一个单晶。 这种方法广泛地用于制取电子工业中应用的单晶硅。 尖端形核法： 2. 单晶的制备 将原料放入一个尖底的圆柱形坩埚中加热熔化。 让坩埚缓慢地向冷却区下降,底部尖端的液体首先达到过冷状态，开始形核。 恰当控制各种因素，就可能形成一个晶核。 随着坩埚的继续缓慢下降，晶体不断长大而获得单晶。 生产上液态急冷的方法有离心急冷法和轧制急冷法等。 3. 非晶态金属的制备 获取方法：在Tm到Tg温度区间加快冷却速度（超过106 ℃/s)。 Tg：玻璃态温度，Tm：结晶温度。 轧制急冷法：是液态金属连续流入冷却轧辊之间而被快速冷却。 3. 非晶态金属的制备 离心急冷法：把液态金属连续喷射到高速旋转的冷却圆筒壁上，使之急冷而形成非晶态金属。 生产上液态急冷的方法有离心急冷法和轧制急冷法等。 轧制急冷装置示意图 知识要点 单元系相变的热力学及相平衡 相律及其应用 纯晶体的凝固 液态结构的特征（结构起伏、能量起伏） 纯金属的结晶 形核：均匀形核的定义及条件 非均匀形核的定义及特征 结晶的特点 晶体的长大条件和方式 凝固理论的应用 控制晶粒大小的措施 作业 相律 结构起伏 能量起伏 均匀形核 非均匀形核 1、名词解释 2、简述晶体均匀形核和晶体长大的条件。 3、在具有粗糙界面的纯金属凝固时，为什么在正的温度梯度下易形成平面状，而在负的温度梯度下易形成树枝状？ 4、根据凝固理论，如何制备细晶材料。 * 因此，半径为r*的晶核称为临界晶核，而r*为临界半径。 只有那些略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大，所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。 将 代入 得： 因此，临界半径由过冷度ΔT决定，过冷度越大，临界半径r*越小，则形核的几率增大，晶核的数目增多。 在熔点处， ΔT＝0，因此 r*为?，不能形核长大。 过冷度液相中结构起伏与临界晶核的关系 将 代入 得： 再将： 代入得： 称为临界形核功 当r=r*时，临界晶核形成时自由能仍是增高的，增高值等于其表面能的1/3； L→S体积自由能差值只补偿形成临界晶核表面所需的能量的2/3； 不足的1/3则另需以能量起伏方式提供。 ΔG*与(ΔT)2成反比，因此，过冷度越大，所需的形核功越小。 临界晶核的表面积为： 代入 得： 均匀形核的条件 a. 过冷条件：TTm。 b. 结构起伏：提供r≥ r*的原子集团充当晶核。 c. 能量起伏：提供相当于界面能1/3的形核功。 2、形核率 形核率：单位体积液体内在单位时间内所形成的晶核数称为形核率。 形核率受两个因素控制： －－－形核功和原子扩散几率。 其中： ΔG*为形核功，Q扩散激活能 形核率与温度的关系 N—△T关系：N随T变化有一极值。影响形核率有两个方面： ①形核功因子（N1）， ②原子扩散几率因子（N2） 从热力学上，随过冷度增大，r*减小，△G *也减小，形核更容易，形核率愈高； 从动力学上，转变温度愈低，原子扩散能力愈弱，不利于晶核形成，使形核率降低。 2、形核率 金属形核率与过冷度的关系 有效形核过冷度： △T * ≈0.2Tm 以铜为例： 临界晶核的原子数:692 几百个原子自发的聚在一起成核的几率很小，故说明均匀形核难度大。 2、形核率 二. 非均匀形核 2. 非均匀形核（非自发形核） 非均匀形时体系总的自由能变化为： 非均匀形时临界晶核半径r*：利用 dG/dr=0 可求r* 。 非均匀形核功 ： △G*het = △G*hom f（θ） 讨论： ①θ=180o时，△G*het = △G*hom 质点不起作用 ； ②θ=0o时，△G*het=0 不需形核功，质点作晶核； ③θ=0～180o时，f（θ）1，△G*het △G*hom即非均匀形核所需的形核功要小于均匀形核的形核功，因此所需的△T也较小。 非均匀形核时形核率与过冷度、液体内悬浮质点及其数量、形貌和一些物理因素有关。 非均匀形核与均匀形核比较，有如下结论： （1）二者临界半径相等。 （2）非均匀形核更容易，需要的过冷更小，因为，f (θ)1，故θ越小，越易形核。 极端情况 θ=0°，则△G*′=0，表明完全润湿，不需形