2纯金属凝固-形核.ppt

中南大学材料科学与工程学院 凝固与相图 形核 * * 2.晶胚与晶核 母相中形成等于或大于一定临界尺寸大小的新相晶核的过程 晶胚 过冷液态金属中短程规则排列的晶态小集团 晶核 几何尺寸达到一定程度的晶胚，新相成长的核心 形核 * * 均匀形核困难，非均匀形核比较容易 均匀形核是基础，实际金属液体中是非均匀形核 形核方式有两种： A、均匀形核—依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核； B、非均匀形核—依附于液体中现存的固体杂质或容器表面而形成的具有一定临界大小的晶核。 * * 2.1均匀形核 自由能随温度、压力而变化: dG=VdP-SdT， 其中，V：体积 ，P：压力，冶金系统中，dP=0 液相原子的紊乱程度高，熵值大，随温度的变化也大，液相与固相的自由能随温度的变化曲线相交。 Tm时，两相平衡共存，自由能相等，GL=GS。 TTm：GS＜GL，液、固两相的自由能差值ΔG是两相间发生液固转变的驱动力。 * * 驱动力ΔGV-----单位体积液相向固相转变的自由能的变化 凝固温度与Tm接近时，HL － HS近似等于熔化潜热Hm(表示熔化时体系吸热，为正值)则 （1） ∵ Tm时，两相平衡，ΔGV=0，有 （2） 将（2）代入（1），有 （3） 即ΔGV 与 ΔT 呈直线关系，过冷度越大，液态和固态的自由能差值越大，相变驱动力越大，凝固过程加快。 * * 出现一个晶胚时的能量变化： 体积自由能：部分液态原子转移为晶胚内部平衡位置的固体原子，能量降低导致的自由能； 表面自由能：部分液态原子转移到晶胚的表面上，导致界面出现而增加的自由能。 体积自由能降低是结晶的驱动力，使晶胚存在和长大； 表面自由能的增加是结晶的阻力，使晶胚熔化和消失； 晶胚形成时总的自由能变化，决定晶胚能不能长大。 * * 过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化 设晶胚为半径r的球形，表面积为S，体积为V，ΔGV为单位体积自由能差（ ΔGV 0），σ为单位面积自由能，则： ΔG=V·ΔGV+σ·S 随着晶胚半径r的增大，体积自由能的降低（正比于r3）比表面自由能（正比于r2）的增加更快。 （4） （5） * * rrk时，ΔG↑， rrk时，ΔG↓，凝固可以进行。r= rk时，两种趋势。 将rk的晶胚称为临界晶核，只有略大于临界半径的晶核，才能作为稳定晶核而长大。所以金属凝固时，晶核必须要求等于或大于临界晶核。 * * 临界晶核 球形晶胚自由能变化 对半径r求偏导数，并令其等于零，即 得 （6） 通过减少σ和增大ΔGV都能使临界晶核半径变小 （7） 将 （3 ）代入式（6）得 rk不仅与材料本身有关，还与ΔT成反比，当ΔT越大，临界晶核半径rk越小，铸造生产实践中，通过加大过冷度，细化晶粒 （5） * * 形核功 形成晶核的尺寸条件：r rk rk～r0之间的晶胚长大时虽然系统自由能降低，但仍大于0，即这种尺寸的晶胚体积自由能的降低不能完全补偿表面自由能的增加，还须外界作功来补偿，称为形核功。 * * 类似结构起伏，液体金属的微观区域具有能量起伏的动态平衡特点。 高能原子附上低能量的晶胚或相邻晶胚互相拼接长大时，可以释放一部分能量，为形核时所需要的形核功提供能量，形核功依靠液体本身存在的能量起伏供给。 形核功的来源 * * （8） 代入式 化简后得 （9） 因为： ，以及 得临界形核功： 过冷液态金属中，形成具有临界晶核尺寸的晶胚所需形核功最大，称为临界形核功ΔG* ΔG*:形成临界晶核时表面自由能的1/3，体积自由能的降低只能补偿2/3 ΔG*主要取决于过冷度，过冷度越大， ΔG*越小，成核率增加 * * 最大晶胚尺寸rmax和临界晶核半径r*与过冷度ΔT的关系 rmax随着ΔT的增大而增大，r*则相反； ΔT＜ΔT*， rmax小于r*，难于形核 ΔT＞ΔT*， rmax的晶胚和部分较小尺寸的晶胚超过了r*，才能稳定形核 曲线的交点是均匀形核的临界过冷度ΔT* * * 形核的必要条件 结构起伏r*：有可能形成晶核； 过冷度ΔT* :在一定的过冷度下，才有相当于临界晶核大小的晶胚出现 能量起伏ΔG * ：提供形核功； * * （10） 形核率与过冷度的关系 C：常数 ΔG*：形核功 K：波耳兹曼常数 T：绝对温度 Q：液固界面扩散激活能 形核率：单位时间、单位体积内所形成的晶核数目 形核功因子 扩散因子 * * 形核率与过冷度 形核率与过冷度的关系 最终，形核率随过冷度的变化有一个极大值，超过极点后，形核率又随着过冷度的进一步增大而减少 ΔT较小时，N主要受