五章纯金属的凝固.pptVIP

由曲线可知： ?晶体自行熔化 ?晶体自发凝固 ?晶体熔化速率=晶体凝固速率 欲满足 的条件，液相必须过冷。 动态过冷度△TK -晶体长大所需要的过冷度。 热过冷度△ Tc - 形核所需的过冷度。 晶核的长大的动力学条件是:液相必须过冷。 只有满足TnTm时才能满足 晶体才能长大 1. 微观光滑界面 (c) 微观光滑界面-原子尺度 (d) 宏观光滑界面实例 光滑界面界存在1~2%的空位，其余为固相原子添加,原子尺度光滑,界面多为固相的密排晶面界面，宏观呈曲折的台阶状。又叫做“小平面”界面。 如：Si、Ge、Fe3C; 无机材料、高分子材料等 二、液--固界面的微观结构 （一）、液-固界面的微观结构 2. 微观粗糙界面 (a) 微观粗糙界面-原子尺度 (b) 宏观粗糙界面实例 界面（微观）高低不平、存在 厚度为几个原子间距的过渡层 的液—固界面（50%的位置空 着）。过渡层很薄所以宏观地 看来界面呈现出平整的外形。 称非小平面界面。 如：Au、Ag、Fe、W、Mo典 型金属及其固溶体。 α取不同值时ΔGS/NkTm 与x的关系曲线 S/L界面S相的微观结构应当是 “界面能最低的结构”界面的自由能(ΔGS)与界面固相原子所占位置的比例数x有以下关系式： α.....杰克逊因子取决于材料； k…. 波尔兹曼常数； Tm…熔点； N.....界面出原子位置数目; χ…..界面固相原子所占位置的比例数。 （二）、界面形貌的形成条件 当α取不同数值时，χ与ΔGS间存在如下关系： (1)对于α≤2的曲线,在x＝o.5处界面能具有极小值，即 界面的平衡结构应是约有一半的原子位置被固相原 子占据而另一半位置空着,此时界面呈粗糙界面。 (2)对于α≥3时，在x靠近0处和靠近1处界面能最小,说 明界面的平衡结构应是只有几个原子位置被固相原 子占据或者极大部分原子位置都被固相原子占据,即 界面为基本上完整的晶面,这时界面呈光滑界面。 (3)α为2~3，处于中间状态，情况较为复杂，其界面形 式常属于混合型。 无论光滑还是粗糙均为能量最低的结构。 垂直长大机制 因界面上约有一半的结晶位置空着， 液相的原子可以进入这些位置面与 晶体连接起来晶体连续地向液相中 生长。 生长线速率Vg与过冷度ΔT成正比 即：Vg=u1ΔTk 式中u1为比例常数 大多数金属d的u1=1cm/sk 在较小的过冷度下，可获得较大的生长速率，生长速度很快。 为界面推进速度及方向 三、晶核长大机制 （一）、垂直长大机制（粗糙界面） 首先在光滑界面上形成一些二维晶核，原子靠二维晶核所形成的台阶与晶核连接实现二维晶核的扩展。此为理想长大方式需较高的形核功，故长大速度较慢。 u2、b为常数， u2 u1 二维晶核台阶长大机制示意图 （二）二维晶核长大机制（对应光滑界面） 螺位错台阶机制示意图 在界面上存在螺位错的露头,可能在晶体表面形成台阶,使界面呈螺旋面形成不会消失的台阶,原子填充台阶晶体生长,长大速度为： 由于位错提供的台阶有限，生长速率小 , u3 u1 。 螺旋长 大的SiC 晶体照片 （三）靠晶体缺陷长大 （二）负温度梯度： （一）正温度梯度： 界面前沿液相内的温度分布 (a)正温度梯度 (b)负温度梯度 §5.5纯金属凝固的生长形态 、液—固界面前沿液 相中的温度分布: 随界面向液相推移 x?，ΔT?， T? 。 随界面向液相推移 x?,ΔT?, T? ； （a） ? ： 纯金属凝固时的 生长形态取决于 液—固界面的微观结构（内因） 界面前沿液相中的温度分布（外因） 1.在 长大特点： 结晶潜热只能通过固相散出， 相界面的推移速度受固相传热 速度所控制。 2.光滑界面材料：通过台阶扩展而生长，随x ?, △Tk ?, υ?,并受小平面长大的制约，以“小平面长 大”方式长 大长成“规则的几何外形”。 二、纯金属凝固时的生长形态 （一）正温度梯度时： 3.粗造界面材料：按“垂直生长”机理而长大， S/L界面 V 界面推进速度及方向 垂直长大机制 界面处的小凸起，随着x ?, △Tk ? ,υ ?，晶体生长以接近平面状向前推移，最后长成“平面状”。 小凸起 平直化 1.在 长大特点 相界面上产生的结晶潜热既可通过固相、 、液相两个方向而散热； 相界面的移动不再为固相的传热速度所 控制。