第二章 扩散、凝固2013.ppt

讨论题 1）工程上大量使用低碳钢渗碳件，试分析材料的渗碳行为与哪些因素有关? 2）分析铸锭典型晶粒组织的形成过程，以及冷却速度、过冷度、杂质等因素对组织的影响。 * * 2.均匀形核的形核率 形核率受两个互相矛盾的因素控制：一方面从热力学考虑，过冷度愈大，晶核的临界半径及临界形核功愈小，形核率愈高； 但另一方面从动力学考虑，过冷度愈大，原子活动能力愈小，原子从液相转移到临界晶核上的几率减小，不利于稳定晶核形成，则形核率愈低。 一、形核规律 综合考虑上述两个方面，形核率可用下式表示： N＝N1·N2 式中N为总的形核率，N1为受形核功影响的形核率因子，N2为受原子扩散影响的形核率因子。 一、形核规律 非均匀形核示意图 3 非均匀形核 一、形核规律 不同润湿角的晶核形貌 当θ＝0时，则⊿G*非＝0，说明固体杂质或型壁可作为现成晶核，这是无核长大的情况，如图a所示。 当θ＝π时，则⊿G*非＝⊿G*均。 当 0＜θ＜π时，G*非＜⊿G*均，这便是非均匀形核的条件，如图b所示。 一、形核规律 非均匀形核时的形核率表达式与均匀形核相似。只是由于G*非＜⊿G*均，所以非均匀形核可在较小过冷度下获得较高的形核率。 非均匀形核的最大形核率小于均匀形核。其原因是非均匀形核需要合适的“基底”，而基底数量是有限的，当新相晶核很快地覆盖基底时，使适合新相形核的基底大为减少。 不是任何固体杂质均能作为非均匀形核的基底促进非均匀形核。只有那些与晶核的晶体结构相似，点阵常数相近的固体杂质才能促进非均匀形核，这样可以减小固体杂质与晶核之间的表面张力，从而减小θ角以减小⊿G*非。 一、形核规律 非均匀形核功与均匀形核功对比的示意图 一、形核规律 均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比 一、形核规律 液-固界面上的原子迁移 一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。 系统总自由能随晶体体积的增加而下降是晶体长大的驱动力。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表面迁移、液-固界面向液相不断推进的过程。 二、晶核长大 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图 1、 液-固界面的微观结构 二、晶核长大 固-液界面(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为光滑界面(Smooth interface)和粗糙界面(Rough interface)两种。 所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。 粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。 光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。 二、晶核长大 1）具有粗糙界面的物质的长大机制 具有粗糙界面的物质，液-固相界面上有大约一半的原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称为垂直生长机制，其长大速度很快。 晶体的垂直长大方式示意图 2、 晶核的长大机制 2）具有光滑界面的物质的长大机制 （1）二维晶核台阶生长模型 首先在平整界面上通过均匀形核形成一个具有单原子厚度的二维晶核，然后液相中的原子不断地依附在二维晶核周围的台阶上，使二维晶核很快地向四周横向扩展而覆盖了整个晶体表面。接着在新的界面上又形成新的二维晶核，并向横向扩展而长满一层。 二、晶核长大 二维晶核长大示意图 二、晶核长大 晶体中不同生长晶面族中，原子最密排面的面距最大。在晶体生长中过程，不同晶面族的晶面沿其法线方向的生长速度不同。生长速度较慢的非原子密排面逐渐被生长速度较快的原子密排面所淹没。 （2）晶体缺陷台阶生长机制 由于二维晶核的形成需要一定的形核功，因而需要较强的过冷条件，长大速率很慢。 如果结晶过程中，在晶体表面存在着垂直于界面的螺位错露头，那么液相原子或二维晶核就会优先附在这些地方。液相原子不断地添加到由螺位错露头形成的台阶上，界面以台阶机制生长和按螺旋方式连续地扫过界面，在成长的界面上将形成螺旋新台阶。这种生长是连续的。 二、晶核长大 螺旋长大的SiC晶体 二、晶核长大 螺型位错长大机制 二、晶核长大 纯金属凝固时晶体的生长形态取决于界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布。 2、 纯金属的生长形态 二、晶核长大 1）在正的温度梯度下 （1）粗糙界面时 对于粗糙界面的晶体，其生长界面以垂直长大方式推进。由于前方液体温度高，所以生长界面只能随前方液体的逐渐冷却而均匀地向前推移。整个液-固相界面保持稳定的平面状态，不产生明显的突起。 （2）光滑界面时 对于光滑界面结构的晶体，其生长