重庆大学金属凝固原理3形核.ppt

第三章 形核; §3-1 凝固的基本热力学条件 §3-2 均质形核 §3-3 异质形核 ;凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注的问题。 严格地说，凝固包括： （1）由液体向晶态固体转变（结晶） （2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变） 常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本 章主要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。 ;凝固过程包括：形核过程和晶体长大过程。凝固后的宏观组织由晶粒和 晶界组成;§3-1 凝固的基本热力学条件 一、液-固相变驱动力 二、大量形核的过冷度（ ）;一、 液-固相变驱动力;Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。;二、大量形核的过冷度（ ）;小结：过冷引起液-固体积自 由能之差是凝固（形核）的基本热力学条件（必要条件）大量形核的过冷度（ ）是完成形核过程的充分条件。;§3-2 均质形核;一、均质形核的热力学条件 二、均质形核动力学 三、均质形核的局限性;一、均质形核的热力学条件（过程进行的条件）;令： 得临界晶核半径 r*： r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。 ; 临界晶核的表面能为：;二、均质形核动力学（过程进行的速度）; 三、均质形核理论的局限性 均质形核是对理想纯金属而言的，其过冷度很大，如纯液态铁的△T=1590X0.2=318℃。这比实际液态金属凝固时的过冷度大多了。实际上金属结晶时的过冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。这说明了均质形核理论的局限性。因实际的液态金属(合金)，都会含有多种固体夹杂物。同时其中还含有同质的原子集团。某些固体夹杂物和这些同质的原子集团即可作为凝固核心。固体夹杂物和固体原子集团对于液态金属而言为异质，因此，实际的液态金属(合金)在凝固过程中多为异质形核。 虽然实际生产中几乎不存在均质形核，但其原理仍是液态金属(合金)凝固过程中形核理论的基础。其他的形核理论也是在它的基础上发展起来的。;§3-3 异质形核（非均质形核 ）;一、异质形核的热力学条件 如果液相中存在固相质点，且液相又能润湿质 表面，则液体能在固相质点表面形成新相晶核。 设生核衬底的质点表 面为一平面，在其上生 成一球冠的新相（见右 图）。则系统自由能的 变化为：; 得到类似于均质形核的系统自由能变化曲线（见下图），曲线有一最大值，该值对应的半径用 表示，称为异质形核的临界晶核半径。;令 ，得异质形核的临界晶核半径：;同理可推导得异质形核的形核功：;小结：异质形核与均质形核相比， 其特点是： · 形核过冷度小 · 形核功小 ; 二、异质形核的机理（异质形核的条件）; 进一步研究细化后引入界面共格对应原则： · 界面共格对应原则：固相杂质表面的原子排列规律和原子 （晶粒细化剂的选择原则） 间距与新相晶核相近。 · 界面共格对应原则的两种情况： （1）晶格类型相同，原子间距相近或成比例相近（尺寸原则）;例1：Cu合金中加入Fe( );例2：Mg合金中加入Zr（0.6~1.0%） 两者均为六方晶格;（2）晶格类型不同，但??一晶面之间 存在共格对应 例如：Al合金中加入Ti（0.2~0.3%）;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd.;小结：界面共格对应原则的实质：增大固、 液两相界面附着力，减小异质形核的 形核功，使固相质点成为异质形核的 有效衬底。; 2.固相杂质表面的粗糙度 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高