单组元材料的结晶详解演示文稿.pptVIP

单组元材料的结晶详解演示文稿 当前第1页\共有24页\编于星期二\19点 （优选）单组元材料的结晶 当前第2页\共有24页\编于星期二\19点 2、凝固状态的影响因素 第一节 晶体形成的一般过程 引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体，可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。 当前第3页\共有24页\编于星期二\19点 二、结晶的热力学条件 第一节 晶体形成的一般过程 结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下： 在恒压下，dp = 0，因此 其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式。 当前第4页\共有24页\编于星期二\19点 二、结晶的热力学条件 第一节晶体形成的一般过程 因为液体的熵值恒大于固体的熵，所以液体的曲线下降的趋势更陡，两曲线相交处的温度Tm，当温度T= Tm时，液相和固相的自由能相等，处于平衡共存，所以称Tm为临界点，也就是理论凝固温度。当T Tm时，从液体向固体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生结晶过程；反之，当T Tm时，从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过程。 所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。 当前第5页\共有24页\编于星期二\19点 三、结晶的潜热 第一节晶体形成的一般过程 在T= Tm时： 从液体转变为固体，此时有 是一放热过程，放出的这部分热量称为结晶潜热。 当前第6页\共有24页\编于星期二\19点 四、结晶时的过冷现象 第一节 晶体形成的一般过程 冷却曲线：材料在冷却过程中，由于存在热容量，并且从液态变为固态还要放出结晶潜热，利用热分析装置，处在较慢的固定的散热方式，并将温度随时间变化记录下来，所得的曲线冷却曲线，纯金属的冷却曲线如图示。 过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度以下，并不是立即就形成晶体，材料处在应该转变的理论温度以下，还保留原来状态，这种现象称为过冷。 过冷度：为了表述材料过冷的程度，将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度 。 ΔT = Tm － T 当前第7页\共有24页\编于星期二\19点 五、结晶的一般过程 第一节 晶体形成的一般过程 温度变化规律： 材料的熔体在熔点以上不断散热，温度不断下降，到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶体，继续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶，放出结晶潜热，可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时，放出的热量和散热可达到平衡，这时处于固定温度，在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成，没有潜热的补充，温度将重新不断下降，直到室温。 当前第8页\共有24页\编于星期二\19点 五、结晶的一般过程 第一节 晶体形成的一般过程 组织的变化：在一定的过冷度下，在液态的熔体内首先有细小的晶体生成，这个过程称为形核。随后已形成的晶核不断的长大，同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触，直到液体全部转变完毕。每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分界面就形成晶界。 当前第9页\共有24页\编于星期二\19点 第二节 形核 一、自发形核 在一定的过冷度下，液体中若出现一固态的晶体，该区域的能量将发生变化，一方面一定体积的液体转变为固体，体积自由能会下降，另一方面增加了液－固相界面，增加了表面自由能，因此总的吉布斯自由能变化量为： 其中ΔGV为单位体积内固液吉布斯自由能之差，V为晶体的体积，σ为界面能，A为界面的面积。一个细小的晶体出现后，是否能长大，决定于在晶体的体积增加时，其自由能是否为下降。 存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核，这种方式称为自发形核。 1. 能量变化 当前第10页\共有24页\编于星期二\19点 一、自发形核 第二节 形核 在一定过