第四讲金属结晶的现象及条件.PDF

金属学与热处理 第四讲金属结晶的现象及条 件 1 金属结晶过程中的宏观现象 热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后 插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却， 用X －Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来， 获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。如图 2 热分析实验装置示意图 纯 属的冷却曲线 3 2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化 曲线。 3 、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论 凝固温度Tm的现象。 4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Δ T ＝Tm-Tn。 晶潜热：金属熔化时从固态转变 液态需要吸收热量，而 结晶时从液态转化 固态要放出热量，前者叫熔化潜热， 后者叫结晶潜热。 4 金属结晶的微观过程 金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。 5 第二节金属结晶的热力学条件 热力学第二定律：在等温等压下，过程自发进行的方向 是体系自由能降低的方向。自由能G用下式表示： G=H-TS， 式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得 dG Vdp －SdT。 在等压时，dp=0 ，故上式简化 ： dG ＝－SdT。 由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。 6 自由能随温度变化的示意图 7 纯晶体的液、固两相的自由能随温度变化规律如图所示。 这样，两条斜率不同的曲线必然相交于一点，该点表示液 、固两相的自由能相等，故两相处于平衡而共存，此温度 即 理论凝固温度，也就是晶体的熔点Tm。事实上，在此 两相共存温度，既不能完全结晶，也不能完全熔化，要发 生结晶则体系必须降至低于Tm温度，而发生熔化则必须高 于Tm。 8 在一定温度下，从一相转变 另一相的自由能变化 ΔGV=GL －GS ＝HL －TSL －(HS －TSS) ＝（HL －HS ）－T （SL －SS ） Lm ＝HL －HS 熔化潜热。当结晶温度T ＝Tm时，ΔGV ＝0，即 Lm ＝T （SL －SS ）＝T ΔS 当T ＜Tm时，由于ΔS的变化很小，可视 常数， 得出 ΔGV ＝Lm －TLm/Tm ＝Lm （1 －T/Tm ）＝Lm ΔT/Tm 式中，ΔT=Tm-T ，是熔点Tm与实际凝固温度T之差。 由上式可 ，要使 ΔGv ＜0，必须使ΔT ＞0，即T ＜Tm，故ΔT称 过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm ，即需要有过冷度。 9 第三节金属结晶的结构条件 液态金属的结构： （介绍说明）