Chapter2纯金属的结晶概要.ppt

本章主要内容 1、纯金属结晶的概念、结晶的条件和结晶的过程； 2、晶粒度的概念和表示方法，晶粒尺寸的控制途径； 3、铸锭的结构与缺陷 结晶过程是形核和长大的过程。 结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。 通过增大过冷度，以减小临界晶核半径。 在过冷液态金属中涌现出大于临界晶核半径的晶胚数目就越多，从而提高单位体积内晶胚成核率，达到细化晶粒的目的。 1.当θ=0o ,cosθ=1 ΔG非=0,（相当有天然晶核 a）; 2.当θ=180o, cosθ=-1 , （2-3cosθ+cos3θ）/4=1，ΔG非=ΔG均 c); 3.当0o＜θ＜180o时，ΔG非＜ΔG均 ，非均匀形核的θ在0~180o间变化图b）。 2．形核率 除受过冷度影响外，还受固体杂质的结构、数量、形貌及其它物理因素影响。 1）过冷度的影响 由于非均匀形核的形核功小于均匀形核的形核功，即非均匀形核所需要的能量起伏比均匀形核小得多，故其过冷度远低于均匀形核时的过冷度。 达到最大形核率所需要的过冷度，非均匀形核比均匀形核要小很多，一般要小十倍。 2）固体杂质的影响 θ越小，形核功越小，形核率越高。 点阵匹配原理：两个相互接触的晶体结构近似，它们之间的表面能便越小，即使在接触面的某一方向上的原子排列配合得比较好，也会使表面能降低一些。（结构相似，尺寸相当） 凡满足这一条件的界面对形核有催化作用。本身为良好的形核剂或活性质点。 铸造上，加形核剂。Zr促进Mg的形核（HCP），Fe促进Cu的形核（fcc），Ti对铝（TiAl3正方、Al面心）。 3）固体杂质形貌的影响 不同形状的表面，形成相同的晶核时，凹面所需的体积最小。 铸型的深孔，裂纹促进形核。 4）过热度的影响 过热度：金属熔点与液态金属温度之差。 过热度越大，形核率降低。因为：改变固体质点的表面状态，甚至熔化固体质点，降低非均匀形核。 5）其它 生产上采用的增加形核率的方法很多。 例如用机械的方法使铸型振动或变速转动，使金属液体流经振动的浇铸槽； 超声波处理，用旋转磁场造成晶体与液体相对运动； 在焊枪上安装电磁线圈，利用电磁转动作用等提高形核率，都能获得细晶粒的组织。 §5 晶核的长大 晶体长大的过程就是液体中原子迁移到晶体表面，即液／固界面向液体中推移的过程。 晶体长大的条件： 1．液体不断地向晶体扩散供应原子，这就要求液相有足够的温度，使液态金属有足够的扩散能； 2．晶体的表面能能不断而牢靠地接纳原子，其位置多少与晶体的表面结构有关，并应符合结晶过程的热力学条件，这意味着晶体长大时的体积自由能降应大于晶体表面能的增加。 晶体的长大必须在过冷的液体中进行，所需的过冷度很小，对一般金属，只有0.01~0.05℃。 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构和界面前沿的温度梯度。 1．光滑界面 在液／固界面上的原子排列比较规则，界面处两相截然分开，所以从微观来看界面是光滑的，但是宏观上它往往是由若干小平面所组成，所以也叫小平面界面。 属于光滑界面结构的主要是无机化合物和亚金属，如Bi、Ga、As、Sb、Si、Ge等。 2．粗糙界面 粗糙界面，在液／固界面上的原子排列比较混乱，原子分布高低不平整，仅在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。 从宏观来看界面反而较为平直，不出现曲折的小平面，故也叫非小平面界面。 常用的金属元素均属于粗糙界面，如Fe、Ag、Al、Cu等。 二、 晶核长大的机制 1．二维晶核长大机制 固液界面为光滑界面。 其生长主要是利用系统中的能量起伏，使液态原子首先在界面上通过均匀形核形成一个具有单原子厚度的二维薄层状稳定的原子集团，然后依靠其周围台阶按上述机制扩展，直至覆盖整个表面。晶体的进一步长大，必须在新的界面上重新形成二维晶核．如此反复地进行。 2．螺型位错长大机制 螺型位错长大机制 具有光滑界面的晶体 —长大时可能形成缺陷 如螺型位错：“生长卷线” —速度较 (1) 快 3．连续长大机制 物质以树枝方式生长时，最后凝固的金属将树枝空隙填满．使每个枝晶成为一个晶粒。 等轴晶：枝晶在三维空间均衡发展，各方向上的一次轴近似相等，形成的晶粒为～。 柱状晶：枝晶在某一方向上的一次轴长的很长，而其它方向长大受阻碍，形成的晶粒为～。 四、长大速度 与生长机制、过冷度有关。 光滑界面，二维晶核机制长大，缺陷机制长大，生长速度慢。 粗糙界面，垂直长大机制，长大速度快。 过冷度：金属，非金属不同。 晶体长大的要点 界面形貌的生长机制 界面形貌，不同温度梯度时长大方式及组织形态： （3）振动、搅动 作用： 搅拌和振动能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进晶核形成； 振动使枝晶破碎，N↑；振动使散热加