材料科学基础第6章材料的凝固与气相沉积概要.ppt

第6章 材料的凝固与气相沉积 凝固：物质从液态到固态的转变过程。 结晶：若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。 作用： ① 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命； ② 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 第1节 材料凝固时晶核的形成 一、材料结晶的基本规律 定义：液体材料的实际结晶温度（Tn）低于理论结晶温度(Tm)的现象。 即在Tm以下金属仍处于液态。 作用：过冷是凝固的必要条件。 过冷 → 自由能下降（ΔG ↓） → 产生驱动力。 2）过冷度：液体材料的理论结晶温度Tm与其实际温度Tn之差。 △T=Tm-Tn 凝固过程总是在一定的过冷度下进行，即过冷度是凝固的充分条件。 一般为10℃-30℃； 冷却速度愈大、过冷度愈大。 3、结晶的过程 1）形核 （1）定义 液体中最初形成分的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体（晶核）的过程。 （2）形核的方式 ①自发形核 从过冷液体中直接产生晶核， 但需要很大的过冷度。 Fe 需要ΔT = 295℃； Ni 需要ΔT = 319℃。  ②非自发形核 依附于杂质微粒的表面或容器壁表面产生的核； 过冷度小10~30℃； 为主导形核方式。 2）晶粒长大 二、材料结晶的基本条件 因此，要使 ΔGv＜0，必须使ΔT＞0，即 T＜Tm，故ΔT称为过冷度。 晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm，即需要有过冷度。 三、晶核的形成 形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷度进一步增大而减小。? a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 1800θ0时，△Gk非△Gk,杂质促进形核 C θ=1800时，△Gk非＝△Gk，杂质不起作用。 第2节 材料凝固时晶体的生长 晶体的长大其涉及到长大的形态、长大方式和长大速率。 形态常反映出凝固后晶体的性质； 长大方式决定了长大速率，也就是决定结晶动力学的重要因素。 2、液固界面微结构与晶体长大机制 晶体长大的形态与液、固两相的界面结构有关。 晶体的长大是通过液体中单个并按照晶面原子排列的要求与晶体表面原子结合起来。 光滑界面 粗糙界面 2）晶体长大方式和长大速率 a.连续长大 具有粗糙界面的物质，液-固相界面上有大约一半的原子位置是空的； 液相中的原子可随机地添加在界面的空位置上而成为固相原子。 晶体的这种生长方式称为垂直生长机制，其长大速度很快。 b.二维晶核 首先，在平整界面上通过均匀形核形成一个具有单原子厚度的二维晶核； 然后，液相中的原子不断地依附在二维晶核周围的台阶上，使二维晶核很快地向四周横向扩展而覆盖了整个晶体表面。 c.借螺型位错长大 由于二维晶核的形成需要一定的形核功，因而需要较强的过冷条件，长大速率很慢。 如果结晶过程中，在晶体表面存在着垂直于界面的螺位错露头，那么液相原子或二维晶核就会优先附在这些地方。 液相原子不断地添加到由螺位错露头形成的台阶上，界面以台阶机制生长和按螺旋方式连续地扫过界面，在成长的界面上将形成螺旋新台阶。 这种生长是连续的。 （1） 2 这种类型的界面在晶体生长时，液态原子可在界面上的任意位置转移到固相，导致晶体的连续生长。 其生长速度v=kΔT，k是个很大的比例常数。 3、液体中温度梯度与晶体的长大形态 纯晶体凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况。 温度分布：正的温度梯度和负的温度梯度。 a．在正的温度梯度下的情况 正的温度梯度:指的是随着离开液-固界面的距离z的增大，液相温度T随之升高的情况，即dT/dz＞0。 结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的推移速度受固相传热速度所控制。 晶体的生长以接近平面状向前推移。 原因：正的温度梯度→凸起部分的温度↑→ΔT↓ →生长速度↓。 b．在负的温度梯度下的情况 是指液相温度随离液-固界面的距离增大而降低，即dT/dz＜0。 原因是由于结晶潜热的释放而导致相界面处的温度升高。 晶体的生长方式为树枝状生长。 原因：相界面凸出部分温度↓ →ΔT↑→生长速度↑→多枝晶。 正常凝固过程：在讨论金属合金的实际凝固问题时： 一般不考虑固相内部的原子扩散，即把凝固过程中先后析出的固相成份看作没有变化； 而仅讨论液相中的溶质原子混合均匀程度问题。 1、液体中溶质完全混合的情况 2．液体中溶质部分混合的情况 ① 固液边界层的溶质聚集对凝固圆棒成分的影响 ② 初始过渡区的建立 当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散出去的速度时，则达到稳定状态； 从凝固开始至建立稳定的边界层这一段长度称