工程材料课件第03章 结晶相图.ppt

第三章 金属的凝固与相图 第一节 概述 二、凝固状态的影响因素 第二节 纯金属的结晶 二、结晶的结构条件 二、结晶的结构条件 三、结晶时的过冷现象 四、结晶的一般过程 四、结晶的一般过程 五、形核 （1）均匀形核 A、均匀形核时的能量变化和临界晶核半径 在一定的过冷度条件下，固相的自由能低于液相的自由能，当在此过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统的自由能降低，它是结晶的驱动力；另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，从而使系统的自由能升高，它是结晶的阻力。若晶胚是半径r为的球形晶胚，且其体积为V，表面积为S。又假定液、固两相单位体积自由能差为?GV，单位面积的表面能为?，则系统自由能的总变化为： ?G =-V ?GV + ?s=-(4/3)? r3 ?GV +4 ? r2 ?………(1) 由图可知：当 r? rK时，随着晶胚尺寸r的增大，则系统的自由能增加，显然这个过程不能自动进行，这种晶胚不能成为稳定的晶核，而是 瞬时形成，又瞬时消失；当r? rK时，随着晶胚尺寸r的增大，则系统的自由能降低，这个过程可以自动进行，晶胚可以自发地长大成稳定的晶核，因此它将不再消失。当r= rK时，这种晶胚既可能消失，也可能长大成为稳定的晶核，因此把半径为rK的晶胚称为临界晶核， rK称为晶界晶核半径。 由式（1）即可求出rK =2 ?/ ?GV …………….(2) 又 ?GV =GL-GS…………………(3) G=H-TS……………..(4) 将（4）代入（3）得 ?GV =GL-GS= HL-TSL-（ HS-TSS ）=（ HL - HS ）-T（SL-SS） 又因为HL - HS =Lm为熔化潜热，且当T=Tm时， ?GV =0（见图19） 所以 Lm = Tm （ SL-SS） 即?GV = Lm-T（ Lm / Tm ）= Lm （1-T/ Tm ）= Lm （ ? T/ Tm ） …………………………..(5) 将式（5）代如式（2）得： ……………….(6) 可见晶核的临界半径rK与过冷度? T成反比，过冷度越大，则临界半径越小。这样液体中的晶胚能否出生成为晶核，就要看晶胚的尺寸是否达到了临界晶核半径的要求。而要满足这一 点，就必须使液体的过冷度达到或超过临界过冷度，只有此时，过冷液体中的最大晶胚尺寸才能达到或超过临界晶核半径rK ，过冷度越大，超过rK的晶胚数量越多，结晶越易于进行。 B 形核功 由图20可知，当晶胚半径大于rK时，随着r的增加，系统的自由能下降，过程可以自动进行，即晶胚可以转化为晶核。对于晶核半径在rK以下的情况而言，此时系统的自由能?G仍然大于零，此时的晶核能否成为稳定晶核呢？这就要看形核功能否得到补偿。 将式（2）代入式（1）得： ……..(7) 由式（7）可知，形成临界晶核时自由能的变化为正值，且恰好等于临界晶核表面能的1/3。这表明，形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，故称?GK为形核功。而形核功则由晶核周围的液体对晶核作功来提供。因为在液体金属中不仅存在结构起伏，而且也存在能量起伏（液体微区内暂时偏离平衡能量的现象）。即当液相中的某一微观区域的高能原子附着于晶核上时，将释放一部分能量，一个稳定的晶核便在这里形成，这就是形核时所需能量（形核功）的来源。 将式（6）代入式（7）可得： 可见临界形核功与过冷度的平方成反比，过冷度增大，临界形 核功显著降低，从而使结晶易于进行。 （C）形核率 形核率是指单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以 表示，单位为cm-3.s-1。它受过冷度（过冷度越大，形核率越大）和液体金属温度（液体金属温度越高，过冷度越小，液体金属原子扩散迁移速率越快，形核率越大）两个互相矛盾的因素的影响。 形核率对于实际生产非常重要，形核率高意味着单位体积内的晶核数目多，结晶结束后可获得细小晶粒的金属材料，这种材料的强度高、塑性和韧性也好。 （2）非均匀形核 非均匀形核方式是实际液体金属凝固的根本方式，其计算形核过程中的临界晶核半径、形核功和形核率与均匀形核方