9.影响非均匀形核形核率的因素.docVIP

形核率 非均匀形核的形核率与均匀形核的相似，但除了受过冷度和温度的影响外，还受固态杂质的结构、数量和形貌及其它一些物理因素的影响。 过冷度的影响 非均匀形核和均匀形核形核率和所需过冷度的比较： 由于非均匀形核所需的形核功很小，因此在较小的过冷度条件下，当均匀形核还微不足道吋，非均匀形核就明显开始了。 图2-15为均匀形核与非均匀形核的形核率随过冷冷度变化的比较。从两者的对比可知， 当非均匀形核的形核率相当可观时，均匀形核的形核率还几乎是零， 并在过冷度约为时， 非均匀形核具有最大的形核率，这只相当于均勾形核达到最大形核率时，所需过冷度的十分之一 非均匀形核形核率可能中止或超过最大值： 由于非均匀形核取决于适当的夹杂物质点的存在，因此其形核率可能越过最大值，并在高的过冷度处中断，这是因为在非均匀形核时，晶核在夹杂物底面上的分布，逐渐使那些有利于新晶核形成的表面减少。当可被利用的形核基底全部被晶核所覆盖时，非均匀形核也就中止了。 固体杂质结构的影响 接触角和形核率： 非均匀形核的形核功与接触角有关，角越小，形核功越小，形核率越高 影响接触角的因素： 由式2.14可知，接触角的大小取决于液体、晶核及固态杂质三者之间表面能的相对大小，即。当液态金属确定之后，便固定不变，那么接触角便只取决于的差值。为了获得较小的接触角，应使趋近于1。只有当越小时，便越接近于，才能越接近于1。也就是说，固态质点与晶核的表面能越小，它对形核的催化效应就越高。 影响固态质点与晶核的表面能的因素： 取决于品核（晶体）与固态杂质的结构（原子排列的几何形状，原子的大小、原子间的距离等）上的相似程度。 两个相互接触的晶面结构越近似，它们之间的表面能就越小，即使只在接触面的某一个方向上的原子排列配合的比较好，也会使表面能降低一些。 这样的条件(结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。 点阵匹配原理： 这样的条件(结构相似、尺寸相当）称为点阵匹配原理，凡满足这个条件的界面，就可能对形核起到催化作用，它本身就是良好的形核剂，或称为活性质点。 应当指出，点阵匹配原理已为大量的实验所证明，但在实际应用时有时会出现例外的情况，尚有待于进一步研究。 在铸造生产中，往往在浇注前加入形核剂，增加非均匀形核的形核率，以达到细化晶粒的目的 例如锆能促进镁的非均匀形核，这是因为两者都具有密排六方晶格。镁的晶格常数为A=0.320221101nm，C=0.51991nm；锆的晶格常数为A=0.3223nm，C=0.5123nm，两者的大小很相近。而且锆的熔点是1855度远高于镁的熔点659度。所以，在液态镁中加入很少量的锆，就可大大提高镁的形核率。 又如，铁能促进铜的非均匀形核，这是因为，在铜的结晶温度1083以下，和Cu都具有面心立方晶格，而且品格常数相近：CCCC。所以在液态铜中加入少量的铁，就能促进铜的非均匀形核。 再如，钛在铝合金中是非常有效的形核剂，钛在铝合金中形成，它与铝的晶格类型不同：铝为面心立方晶格，晶格常数A=0.405nm，为正方晶格，晶格常数A=B=0.543nm，C=0.859nm。不过当时，铝的晶格只要旋转45度，即时，即可与较好对应(图2.16)，从而有效地细化铝的晶粒组织。 固体杂质形貌的影响 固体杂质表面的形状： 固体杂质表面的形状各种冬样，有的呈凸曲面，有的呈凹曲面，还有的为深孔，这些基面具有不同的形核率。 不同的表面形状具有不同的形核率 三个不同形状的固体杂质上所形成的晶核体积不同： 例如有三个不同形状的固体杂质，如图2-17所示，形成三个晶核，它们具有相同的曲率半径和相同的角，但是三个晶核的体积却不一样。凹面上形成的晶核体积最小，平面上次之，凸面上最大 由此可见，在曲率半径和接触角都相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同而改变。 三个不同形状的固体杂质上的形核效能不同 凹曲面的形核效能最髙，因为较小体积的晶胚便可达到临界晶核半径，平面居中，凸曲面的效能最低。 三个不同形状的固体杂质上所需要的过冷度不同： 因此，对于相同的固体杂质颗粒，若其表面曲率不同，它的催化作用也不同，在凹曲面上形核所需过冷度比在平面、凸面上形核所需过冷度都要小 铸型壁上的深孔或裂纹： 铸型壁上的深孔或裂纹是属于凹曲面情况，在结晶凝固时，这些地方有可能成为促进形核的有效界面。 过热度的影响 过热度是指熔点与液态金属温度之差。 液态金属的过热度对非均匀形核具有很大的影响： 当过热度不大吋，可能不使现成质点的表面状态有所改变，这对非均匀形核没有影响。 当过热度较大时，有些质点的表面状态改变了，如质点内微裂缝及小孔减少，凹曲而变为平面，使非均匀形核的核心数目减少。 当过热度很大时，将使固态杂质质点全部熔化，