纯金属晶体生长界面动力学过程.ppt

关于纯金属晶体生长界面动力学过程液体金属中形核以后，液体中的原子陆续向晶体表面排列堆砌，晶体便不断长大。因此晶体的生长就是液体中的原子向晶体表面的堆砌过程，也是固-液界面向液体中不断推移的过程。晶体的生长主要受以下三个因素的影响：·界面前沿液体中的温度条件·界面的结构·对合金而言，还与界面前液体中的溶质浓度及合金本身性质有关。本章只讲纯金属的晶体生长，合金的晶体生长在第五章中讲述。第2页,共28页，星期六，2024年，5月§4-1晶体生长界面微观动力学§4-2晶体宏观生长方式§4-3晶体微观生长方式第3页,共28页，星期六，2024年，5月§4-1晶体生长界面微观动力学一、固-液界面上的原子交换界面上始终存在原子的交换即原子s原子L1.原子L原子S界面上液体中的原子如具有较大的能量克服液体中其它原子对它的作用力，就能越过界面跑到固体表面而定居下来，便产生部分液体的凝固。也就是说，液体原子必须克服能量为QL（液体激活能）的势垒才能凝固。设液体原子跑到固体表面而定居下来的面密度（单位面积上的原子数）为n，则凝固速度为（t为时间）图1.界面上原子交换第4页,共28页，星期六，2024年，5月如果界面上固体原子具有大于QS（固体激活能）的激活能，即克服QS的能量势垒，就越过界面跳到液体中，发生部分固体的熔化。设固体原子跳到液体中的面密度为n，熔化速度为：2.原子S原子L当界面温度T=Tm（熔点）时，有：熔化速度等于凝固速度，界面处于平衡状态，界面不能生长。当TTm时，有发生熔化。当TTm时，有发生凝固，晶体得以生长，固-液界面向液体中推进。第5页,共28页，星期六，2024年，5月二、晶体生长的条件·晶体不断生长必须满足：界面温度TTm(熔点)，即存在过冷度，这个过冷度称为动力学过冷度。·动力学过冷度的物理意义：保证界面上的动力学过程，使晶体得以生长。·与（）的区别：是晶体生长所需的过冷度，即动力学过冷度（）是液体中大量生核所需的过冷度，即热力学过冷度。这两个过冷均属热过冷，与成分过冷相区别。小结：金属的凝固包括形核和晶体长大两个过程，完成这两个过程不仅需要热力学过冷，而且需要动力学过冷。第6页,共28页，星期六，2024年，5月§4-2晶体宏观生长方式假设原固-液界面为一平面，并不断向液体中推进，此界面在生长过程中能否稳定保持平面，这就是界面稳定性问题。如果界面在生长过程中始终保持平面，我们说界面是稳定的，如果不能保持平面，则界面是不稳定的。界面的稳定性取决于界面的宏观生长方式，而宏观生长方式由界面前沿液体中的温度条件所决定。界面前沿液体中的温度条件有两种：第7页,共28页，星期六，2024年，5月一、界面前沿存在正温度梯度（单向凝固条件）——平面生长图2.液体中的正温度梯度分布第8页,共28页，星期六，2024年，5月当界面前沿存在正温度梯度时，平界面是稳定的，此界面的温度是~Tm的等温场，只有当液体的温度进一步降低，界面上形成的过冷度时，界面才以平面方式继续向前推进。图3.界面上局部不稳定性的消失第9页,共28页，星期六，2024年，5月二、界面前沿存在负温度梯度（在过冷的液体中生核和生长时）——树枝状生长图4.液体中的负温度梯度分布第10页,共28页，星期六，2024年，5月图5.突出部分发展成枝晶状负温度梯度的存在是导致界面不稳定的主要原因。在过冷的液体里生核和生长（高温金属液体浇注到低温铸型中的凝固属于此），就出现负温度梯度，此时晶体以树枝状方式生长。第11页,共28页，星期六，2024年，5月小结：纯金属晶体宏观生长方式只有两种：·平面方式生长（界面前沿存在正温度梯度，即GL）·树枝状方式生长（界面前沿存在负温度梯度,即GL＜0）而合金晶体的宏观生长方式除上述两种外，还有胞状生长方式（第五章讲述）。＞0第1