材料科学基础_第三章_凝固.ppt

* 第三章 凝固 本章要点 1金属结晶的基本规律和条件 2金属结晶的形核与长大 3陶瓷、聚合物的凝固 4凝固理论的应用 * 第三章 凝固 熔化 * 第三章 凝固 炼钢 浇注 炼铜 * 第三章 凝固 凝固：物质从液态到固态的转变过程。 若凝固后的物质为晶体，则称之 为结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 * 第一节 材料结晶的基本规律 第 三 章 第 一 节 结 晶 规 律 1 液态材料的结构 结构：长程无序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。 * 第一节 材料结晶的基本规律 第 三 章 第 一 节 结 晶 规 律 2 过冷现象 supercooling （1）过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 （2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。 △T=Tm-T (见冷却曲线) 注: 过冷是凝固的必要条件 (凝固过程总是在一定的过冷度下进行)。 * 第一节 材料结晶的基本规律 第 三 章 第 一 节 结 晶 规 律 3 结晶过程 （1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图） （2）描述结晶进程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间 内迁移的距离。用G表示。 * 第二节 材料结晶的基本条件 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 1 热力学条件 （1）G-T曲线 相的自由能 G=H-TS H为焓，由内能决定， S为熵，由原子的排列有序度决定， 温度的升高，自由能下降，是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。 dG/dT=-S 液相曲线斜率大于固相：液相有序度低，则S大，相同温度下，曲线下降快， 二曲线相交于一点，即材料的熔点。 * 第二节 材料结晶的基本条件 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 1 热力学条件 （2）热力学条件 单位自由能的变化：△Gv=－Lm△T/Tm Lm=Gs-GL为溶化潜热， a △T=0, △Gv=0 结晶处于平衡状态。 b △T0, △Gv减少，结晶进行，因此：过冷是结晶的必要条件（之一）。 c △T越大, △Gv越小－过冷度越大， 越有利于结晶。 d △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。 * 第二节 材料结晶的基本条件 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 2 结构条件 （1）液态结构模型 微晶无序模型 拓扑无序模型 （2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团 的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。 出现几率 结构起伏大小 * 第三节 晶核的形成 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。 非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。 1 均匀形核 （1）晶胚形成时的能量变化 表面排列受力不对称，能量高于液态， 心部原子排列规整，能量低于液态。 △G＝-V△Gv+σS ＝-(4/3)πr3△Gv+4πr2σ ?2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning? is a trademark used herein under license. * 第三节 晶核的形成 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 1 均匀形核 (2) 临界晶核 d△G/dr=0 rk=-2σ/△Gv 临界晶核：半径为rk的晶胚。 (3) 临界过冷度 rk=-2σTm/Lm△T 临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk. △T≥△Tk是结晶的必要条件。 * 第三节 晶核的形成 第 三 章 第 二 节 结 晶 条件 1 均匀形核 （4）形