《凝固与融化过程》课件.pptVIP

*************************************结晶核的形成1均质形核纯液体内部自发形成晶核的过程2非均质形核在容器壁或杂质颗粒表面形成晶核3关键尺寸晶核需达到临界尺寸才能稳定生长4能量平衡表面能增加与体积能减少的平衡决定稳定性结晶核的形成是凝固过程的第一步。在冷却过程中，液体分子随机碰撞结合，形成微小的晶体团簇。大多数团簇因不稳定而迅速溶解，只有达到临界尺寸的团簇才能继续生长成为稳定的晶核。实际凝固过程中，非均质形核占主导地位，因为它需要的过冷度远低于均质形核。容器壁、悬浮杂质甚至人为添加的晶种都可以作为形核位点。这就是为什么超纯液体在无杂质容器中可以被冷却到远低于正常凝固点而不结晶的原因。结晶生长过程界面迁移一旦形成稳定的晶核，固液界面开始向液体方向迁移。界面迁移速度取决于温度梯度、过冷度和物质种类。界面形态可能是平整的、细胞状的或枝晶状的，取决于凝固条件。分子排列液体分子在固液界面附近减慢运动，逐渐排列到晶格位置。这一过程受到界面结构、晶体取向和液体成分的影响。不同晶面有不同的表面能和生长速率，导致晶体形状各异。潜热传递结晶过程中释放的潜热必须通过热传导或对流传递出去，否则会使界面温度升高，减缓凝固速度。凝固的热传导情况对最终晶体结构有重要影响，是工业控制结晶过程的关键。结晶生长通常遵循能量最小化原则，分子倾向于占据能量最低的晶格位置。然而，由于生长动力学限制，实际生长过程中常形成各种缺陷，如点缺陷、位错和孪晶。这些缺陷对材料的性能有显著影响，既可能有害，也可能有益。单晶与多晶单晶体单晶体是指整个固体中所有的原子或分子按照一种规则的三维空间排列方式排列，形成连续的晶格结构，没有晶界。单晶体在各个方向上的物理性质可能不同，表现出各向异性。多晶体多晶体由许多取向不同的微小单晶（晶粒）组成，晶粒之间的交界面称为晶界。多晶体通常呈现为各向同性，但晶粒大小和晶界特性对物理性质有显著影响。性能对比单晶体通常具有优异的电学、光学和机械性能，广泛应用于半导体、光学元件和特种合金。多晶体则更易制备，成本较低，在强度和韧性方面可通过控制晶粒大小和晶界性质获得优化。过冷现象1定义液体温度低于其平衡凝固点而不结晶的现象2原因形核能量势垒和结晶核心形成的困难3影响因素纯度、冷却速率、容器表面特性和压力4应用领域金属玻璃制备、过冷水生物防护和零下食品保存过冷现象在自然界和工业过程中广泛存在。纯净的液体在没有外部干扰的情况下，可以被冷却到远低于其正常凝固点的温度而不发生凝固。这种状态是亚稳态的，一旦有适当的触发，如振动、添加晶种或接触容器壁的粗糙部分，液体会迅速结晶，温度会上升到正常的凝固点。过冷现象的程度取决于多种因素，包括液体的纯度、冷却速率和容器表面的性质。高纯度液体在平滑容器中缓慢冷却时，可能出现显著的过冷现象。例如，超纯水在特定条件下可以过冷至-40°C而不结冰。过热现象定义过热是指固体温度升高到超过其平衡熔点而不融化的现象。这种现象与过冷类似，但方向相反，是一种亚稳态。实际应用中，过热比过冷更加罕见，通常需要特殊条件才能观察到。形成条件过热现象的形成需要几个关键条件：高纯度固体、表面完整无缺陷、缓慢升温和无外部扰动。任何表面缺陷或杂质都可能成为融化的起始点，使过热现象难以维持。现象解释从能量角度看，过热状态的存在是因为融化需要破坏晶格结构，而这一过程需要克服能量势垒。在完美晶体中，没有易于开始融化的缺陷位点，使得物质可以维持固态超过其理论熔点。过热现象在特定晶体中更易观察，如某些金属、冰晶和有机晶体。通过控制表面性质和升温条件，研究人员可以研究这一现象，从中获得关于融化机制和晶体稳定性的重要信息。过热现象对材料加工和冶金工艺有一定影响。在某些情况下，过热可能导致不希望的突然融化，引起安全问题。而在其他情况下，科学家则利用过热现象研究特殊材料的性质或开发新型工艺。凝固收缩凝固收缩是指大多数物质在从液态凝固为固态过程中体积减小的现象。这是因为液态中分子排列松散无序，而固态中分子排列紧密有序。凝固收缩的程度因物质不同而异，如上图所示，铝的凝固收缩率高达6.6%，而铸铁和钢则相对较低，约为2.5%。凝固收缩在工业铸造中是一个重要考虑因素，它可能导致铸件出现缩孔、缩松、表面凹陷等缺陷。为了补偿这种收缩，铸造工艺中常采用冒口、补缩系统和合理的浇注系统设计。某些特殊合金，如铸铁和钛合金，通过调整成分可以减小凝固收缩，提高铸件质量。融化膨胀融化膨胀是指大多数物质从固态融化为液态时体积增大的现象。这种膨胀是因为物质从紧密有序的晶体结构转变为较为