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材料成形基本原理(第3版)(上)课件:晶体形核与生长.pptx

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晶体形核与生长;第一节引言

第二节液-固相变驱动力及过冷度

第三节凝固形核

第四节晶体生长;第一节引言;凝固的一般过程;由凝固热分析看凝固过程;由凝固热分析看凝固过程;从热力学推导系统由液体向固体转变的相变驱动力ΔG

由于液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率;由麦克斯韦尔热力学关系式:;;凝固过冷度;凝固界面处原子跃迁为双向动力学过程:;曲率过冷(CurvatureUndercooling);曲率过冷(CurvatureUndercooling);由于表面张力σ的存在,固相曲率k引起固相内部压力增高,这产生附加自由能:;热过冷(ThermalUndercooling);成分过冷(ConstitutionalUndercooling);

晶体生长中平直的凝固界面不存在曲率过冷,而晶体形核过程及非平面生长过程必然有曲率过冷;

高压条件下的凝固或超声振动等条件下才出现压力过冷;

纯金属形核及生长足够容易的凝固条件下不存在热过冷;

只有合金凝固(包括不纯单质)且需特定条件才出现成分过冷;

晶体生长过程则一定存在动力学过冷。;分析各过冷度对凝固影响时,需分清两类不同过冷度概念:;第三节凝固形核;凝固形核;均质形核:形核功及临界半径;令:

得临界晶核半径r*:

r*与ΔT成反比,即过冷度ΔT越大,r*越小;

ΔG*与ΔT2成反比,过冷度ΔT越大,ΔG*越小。;另一方面,液体中存在“结构起伏”的原子集团,其统计平均尺寸r°随温度降低(ΔT增大)而增大,r°与r*相交,交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*。

不应理解过冷度达到ΔT*才可以生核,只是ΔTΔT*之前晶核数量较少。因此,应理解ΔT*为开始大量形核的过冷度。

温度继续降低到T1(ΔT更大),r°更大,r*更小,形核数也就更多。;临界晶核的表面积为:;;推导可得(详见教材):

非均质形核临界晶核半径:

与均质形核完全相同

非均质形核功:;异质形核后的界面能变化为:

异质形核后体积自由能变化为:

异质形核引起的自由能变化为:

ΔGhe=ΔG(V)+ΔG(S)

由:

即可得到非均质形核时的r*、ΔG*的表???式。;;;;;;非均质形核形核条件;第四节晶体生长;一、固液界面的微观结构;粗糙界面与光界滑面;原子尺度的粗糙与光滑界面,在微米尺度下的晶体界面显微形貌却往往相反:

左图原子尺度光滑界面(下),在微米尺度下观察其生长界面却是无规则,呈锯齿状高低不平(上);

右图所示原子尺度的粗糙界面(下),在一定条件下微米尺度下观察其生长界面却是平整的(上);界面结构类型的本质与判据;;若将?=2,=0.5同时代入(4-23),

则:

对一摩尔,熔融熵=4kBNA=4R,由(4-23)式可知:

熔融熵上升,则?增大,

所以≤4R时,界面以粗糙面为最稳定。

熔融熵越小,越容易成为粗糙界面。因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于合金系统的热力学性质。;;根据

当固相表面为密排晶面时,值高,如面心立方的(111)面,

对于非密排晶面,值低,如面心立方的(001)面,。

值越低,?值越小。这说明非密排晶面作为晶体表面(液-固界面)时,容易成为粗糙界面。;过冷度大时,生长速度快,界面的原子层数较多,容易形成粗糙面结构。小晶面界面,过冷度ΔT增大到一定程度时,可能转变为非小晶面。过冷度对不同物质存在不同的临界值,?越大的物质,变为粗糙面的临界过冷度也就越大。

如:白磷在低长大速度时(小过冷度ΔT)为小晶面界面,在长大速度增大到一定时,却转变为非小晶面。

合金的浓度有时也影响固-液界面的性质。;过冷度大时,生长速度快,界面的原子层数较多,容易形成粗糙面结构。小晶面界面,过冷度ΔT增大到一定程度时,可能转变为非小晶面。过冷度对不同物质存在不同的临界值,?越大的物质,变为粗糙面的临界过冷度也就越大。

如:白磷在低长大速度时(小过冷度ΔT)为小晶面界面,在长大速度增大到

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