二零二五年度2月份东南大学考研专用材料科学基础第4章凝固全.pptxVIP

第四章凝固

Solidification

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东南大学材料学院怎样控制凝固过程，得到需要的材料性能？液态固态凝固单晶多晶非晶

东南大学材料学院内容框架液态金属的结构2.凝固热力学凝固的热力学条件过冷度凝固驱动力3.纯金属凝固（1）形核均匀形核非均匀形核（2）长大动态过冷度长大方式和形态4.固溶体合金的凝固平衡凝固非平衡凝固成分过冷6.铸锭组织和铸造技术铸锭的三种铸造组织铸造缺陷凝固技术5.共晶合金的凝固

东南大学材料学院1.液态金属的结构液态金属的结构对结晶过程有重要影响

东南大学材料学院金属的熔化潜热大大低于其气化潜热液态金属的结构的定性描述——基于物理性质金属由固态转变为液态，近邻原子间的结合键远非气化时那样大

东南大学材料学院熔化过程体积变化率小，仅3~5％液态金属的结构的定性描述——基于物理性质熔化前后原子间距变化不大——液、固态的原子间结合力接近

东南大学材料学院金属熔化时熵Sm（无序程度）明显增加液态金属的结构的定性描述——基于物理性质液态金属中原子排列无序程度增加

东南大学材料学院金属熔化时熵Sm（无序程度）明显增加液态金属的结构的定性描述——基于物理性质液态金属中原子排列无序程度增加

东南大学材料学院液态金属的结构的定性描述——基于物理性质XRD分析液态金属相对于固态金属，原子配位数降低，或原子平均间距有限增大。径向分布函数分析液态金属中存在短程有序，但不存在长程有序

东南大学材料学院微观结构分析－－X射线衍射谱金（液态）在1100℃下的X射线衍射图谱

东南大学材料学院液态金属的“径向分布函数”所谓径向分布函数，就是在任一参考原子周围半径为r处的原子密度(单位容积的原子数)。

东南大学材料学院补充说明：对非密排结构的晶体如Sb、Bi、Ge、Ga等，液态时配位数反而增大，故熔化时体积略为收缩。液态金属结构的具体模型难以确立，上述的x射线衍射或中子衍射分析虽然得出了液态原子的径向密度函数和配位数等重要数据，但不可能进一步确定原子的几何排列情况。

东南大学材料学院液态金属的结构的定性描述Banker模型准晶结构：短程有序，结构起伏。Berbal模型非晶体：随机密堆

东南大学材料学院公认观点：液态金属的结构长程无序，但存在短程有序;原子热运动强烈，导致局部的原子有序排列不断地变化，不断消失又不断生成，“此起彼伏”液态金属中这种结构不稳定的现象称为结构起伏或相起伏。液态金属的结构的定性描述

东南大学材料学院2.凝固热力学晶体凝固的热力学条件是过冷度大于零

东南大学材料学院吉布斯自由能

东南大学材料学院金属的自由能G

东南大学材料学院固相自由能和液相自由能G熔化潜热熔点

东南大学材料学院金属凝固的条件自由能

东南大学材料学院金属凝固的过冷现象纯铁的冷却温度曲线

东南大学材料学院纯金属凝固的驱动力

东南大学材料学院3.纯金属的凝固过程凝固过程形核长大

东南大学材料学院凝固过程：形核长大

东南大学材料学院形核均匀形核：液相内各处同时形核，单位体积内形成的晶核数相同；非均匀形核：借助于模壁、杂质、自由表面等处形核；??实际的形核过程都是非均匀形核

东南大学材料学院1、?均匀形核1）形核功和临界晶核TTm时液相内的原子聚合成晶胚，晶胚内原子有序排列。此时系统自由焓发生两方面变化：a.??∵GSGL，晶胚形成后系统体积自由能GV减小∴V?GV0（∵?GV0）b.晶胚与液相之间形成界面，由于界面能，系统自由能升高。

东南大学材料学院均匀形核条件系统形核时自由能变化为A是晶胚面积，?是单位面积的界面能在?G－r曲线上有一个拐点，在坐标上对应的值分别为r*和G*。

东南大学材料学院临界形核半径和临界形核功r*为临界半径，?G*为形核功

东南大学材料学院临界形核半径和临界形核功计算r*和?G*:设晶胚为球状，

东南大学材料学院过冷度与临界形核半径、临界形核功的关系由r*＝2σ/?GV可见：ΔGV越大，r*越小?T越大，r*越小

东南大学材料学院形核功－－形核的能量来源体积自由能的降低只能补偿表面自由能的三分之二，而另外三分之一由系统中存在的能量起伏来补偿形核条件＝过冷度＋结构起伏＋能量起伏

东南大学材料学院形核率形核率N：单位时