純金屬的結(jié)晶解析PPT課件

1、第二章第二章 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶u物質(zhì)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固。物質(zhì)由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固。u如果液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的固體，這個過程稱為結(jié)晶。如果液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)的固體，這個過程稱為結(jié)晶。u金屬及合金的生產(chǎn)、制備一般都要經(jīng)過熔煉與鑄造，通過金屬及合金的生產(chǎn)、制備一般都要經(jīng)過熔煉與鑄造，通過熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄型中，凝固后熔煉，得到要求成分的液態(tài)金屬，澆注在鑄型中，凝固后獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過冷熱變形以制成各種獲得鑄錠或成型的鑄件，鑄錠再經(jīng)過冷熱變形以制成各種型材、棒材、板材和線材。型材、棒材、板材和線材。u金屬及合金的結(jié)晶組織對其性能以及隨后的加工

2、有很大的金屬及合金的結(jié)晶組織對其性能以及隨后的加工有很大的影響，而結(jié)晶組織的形成與結(jié)晶過程密切相關。影響，而結(jié)晶組織的形成與結(jié)晶過程密切相關。第第1頁頁/共共54頁頁第一節(jié)第一節(jié) 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象圖 結(jié)晶示意圖第第2頁頁/共共54頁頁第第3頁頁/共共54頁頁圖圖 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線u從溫度從溫度時間曲線（冷卻時間曲線（冷卻曲線）可見，純金屬結(jié)晶曲線）可見，純金屬結(jié)晶有兩個宏觀現(xiàn)象：有兩個宏觀現(xiàn)象：過冷過冷和和恒溫恒溫。u純金屬的實際凝固溫度純金屬的實際凝固溫度Tn總比其熔點總比其熔點Tm低，這種現(xiàn)低，這種現(xiàn)象叫做過冷。象叫做過冷。uTm與與Tn的差值的差值T叫做過叫做過冷

3、冷度。度。結(jié)晶的過冷現(xiàn)象：結(jié)晶的過冷現(xiàn)象：2.1.1結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象第第4頁頁/共共54頁頁u不同金屬的過冷傾向不同，同一種金屬的過冷度也不是恒不同金屬的過冷傾向不同，同一種金屬的過冷度也不是恒定值，它將隨實驗條件而變。冷卻速度增大，會使金屬凝固定值，它將隨實驗條件而變。冷卻速度增大，會使金屬凝固時的過冷度增大。時的過冷度增大。u過冷是金屬凝固的必要條件。過冷是金屬凝固的必要條件。 u金屬由液體冷凝成固體時要放出凝固潛熱，如果這一部分金屬由液體冷凝成固體時要放出凝固潛熱，如果這一部分熱量恰好能補償系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱量，凝固將在恒溫下進熱量恰好能補償系統(tǒng)向環(huán)境散失的熱量，凝固

4、將在恒溫下進行。行。u純金屬結(jié)晶的兩個宏觀現(xiàn)象就是純金屬結(jié)晶的兩個宏觀現(xiàn)象就是過冷和恒溫。過冷和恒溫。第第5頁頁/共共54頁頁u結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱u相變潛熱：相變潛熱：1mol1mol物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相時，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。時，伴隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。u熔化潛熱：金屬熔化時從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗨刍瘽摕幔航饘偃刍瘯r從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗨盏臒崃?。收的熱量。u結(jié)晶潛熱：金屬結(jié)晶時從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗨沤Y(jié)晶潛熱：金屬結(jié)晶時從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗨懦龅臒崃?。出的熱量。第?頁頁/共共54頁頁圖 金屬氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的原子排列示意圖 2.1.2金屬結(jié)

5、晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象第第7頁頁/共共54頁頁u當液態(tài)金屬冷卻到熔點當液態(tài)金屬冷卻到熔點Tm以下的某一溫度開始結(jié)晶時，以下的某一溫度開始結(jié)晶時，在液體中首先形成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱為在液體中首先形成一些穩(wěn)定的微小晶體，稱為晶核晶核。隨后。隨后這些晶核逐漸長大，與此同時，在液態(tài)金屬中又形成一些這些晶核逐漸長大，與此同時，在液態(tài)金屬中又形成一些新的穩(wěn)定的晶核并長大。這一過程一直延續(xù)到液體全部耗新的穩(wěn)定的晶核并長大。這一過程一直延續(xù)到液體全部耗盡為止，形成了固態(tài)金屬的晶粒組織。盡為止，形成了固態(tài)金屬的晶粒組織。u單位時間、單位液態(tài)金屬中形成的晶核數(shù)叫做形核率，用單位時間、單位液態(tài)金屬中形成

6、的晶核數(shù)叫做形核率，用N表示，單位為表示，單位為cm-3s-1。單位時間內(nèi)晶核增長的線長度叫做。單位時間內(nèi)晶核增長的線長度叫做長大速度，用長大速度，用u表示，單位為表示，單位為cms-1。 u液態(tài)金屬的結(jié)晶過程乃是由液態(tài)金屬的結(jié)晶過程乃是由形核和長大形核和長大兩個基本過程所組兩個基本過程所組成，并且這兩個過程是同時并進的。成，并且這兩個過程是同時并進的。第第8頁頁/共共54頁頁圖 金屬結(jié)晶過程示意圖 第第9頁頁/共共54頁頁TSHGSdTVdpdGSdTdGu壓力可視為常數(shù)，壓力可視為常數(shù)，dp=0dp=0 u溫度升高，原子活動能力提高，因而原子排列的混亂程度溫度升高，原子活動能力提高，因而原

7、子排列的混亂程度增加，即熵值增加，系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。增加，即熵值增加，系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。結(jié)晶的熱力學條件：結(jié)晶的熱力學條件：熱力學指出，金屬的狀態(tài)不同，則其自由能也不同。熱力學指出，金屬的狀態(tài)不同，則其自由能也不同。第二節(jié)第二節(jié) 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件第第10頁頁/共共54頁頁圖圖 吉布斯自由能隨溫度變化的關系吉布斯自由能隨溫度變化的關系 uTTm,GLGS,處于處于液態(tài)；液態(tài)；uT=Tm,GL=GS,兩相兩相共存；共存；uTGS,處于處于固相。液固兩相的自固相。液固兩相的自由能差是發(fā)生相轉(zhuǎn)變由能差是發(fā)生相轉(zhuǎn)變（L-S）的驅(qū)動力。）的驅(qū)動力。第第1

8、1頁頁/共共54頁頁LSVGGGTSHG)(LLSSVTSHTSHGSTHHSSTHHSLLSLS)()(mfVmfSLTHSGTTHHH，時，為熔化潛熱，0mfmmfmffVTTHTTTHTHTHG）（u當液相向固相轉(zhuǎn)變時，單位體積自由能當液相向固相轉(zhuǎn)變時，單位體積自由能GGv v的變化為：的變化為： 即GV與T呈直線關系，過冷度越大，液態(tài)和固態(tài)的自由能差值越大，相變驅(qū)動力越大，凝固過程加快。第第12頁頁/共共54頁頁u結(jié)構(gòu)起伏：結(jié)構(gòu)起伏：u液態(tài)金屬中的原子小集團時聚時散，時起時伏，此起彼伏，液態(tài)金屬中的原子小集團時聚時散，時起時伏，此起彼伏，處在不斷變化和運動過程中。處在不斷變化和運動過程

9、中。u在每一溫度下出現(xiàn)的相起伏存在著一個極限值在每一溫度下出現(xiàn)的相起伏存在著一個極限值rmax， r rmaxmax的尺的尺寸大小與溫度有關。溫度越高，則寸大小與溫度有關。溫度越高，則r rmaxmax尺寸越??；溫度越低，尺寸越??；溫度越低， r rmaxmax尺寸越大。尺寸越大。u只有在過冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏才有可能在結(jié)晶只有在過冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏才有可能在結(jié)晶時轉(zhuǎn)變稱為晶核，這些相起伏就是晶核的胚芽，稱為晶胚。時轉(zhuǎn)變稱為晶核，這些相起伏就是晶核的胚芽，稱為晶胚。u液態(tài)金屬的一個重要特點是存在著相起伏，只有在過冷液體液態(tài)金屬的一個重要特點是存在著相起伏，只有在過冷液體中

10、的相起伏才能稱為晶胚。中的相起伏才能稱為晶胚。第三節(jié)第三節(jié) 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件第第13頁頁/共共54頁頁第四節(jié)第四節(jié) 晶核的形成晶核的形成u自發(fā)形核自發(fā)形核( (均勻形核均勻形核) )：在液態(tài)金屬中，在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團。當溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程團。當溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程有序的原子集團變得穩(wěn)定，不再消失，有序的原子集團變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個過程叫自發(fā)形核。成為結(jié)晶核心。這個過程叫自發(fā)形核。u非自發(fā)形核（非均勻形核）：非自發(fā)形核（非均勻形核）：實際金屬實際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。

11、當液態(tài)金內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個過程叫非屬原子，成為結(jié)晶核心，這個過程叫非自發(fā)形核。自發(fā)形核。圖 均勻形核圖 非均勻形核第第14頁頁/共共54頁頁u1. 形核時的能量變化和臨界晶核半徑形核時的能量變化和臨界晶核半徑u在液態(tài)金屬中，時聚時散的近程有序的原子集團是形成晶在液態(tài)金屬中，時聚時散的近程有序的原子集團是形成晶核的胚芽，叫晶胚。核的胚芽，叫晶胚。u等于或大于臨界尺寸的晶胚即為晶核。等于或大于臨界尺寸的晶胚即為晶核。u在過冷條件下，晶胚形成時，系統(tǒng)自由能變化包括體積自在過冷條件下，晶胚形成

12、時，系統(tǒng)自由能變化包括體積自由能的下降和表面能的增加。由能的下降和表面能的增加。SVGGV23434rGrGV2.4.1均勻形核均勻形核第第15頁頁/共共54頁頁圖 晶胚形成時系統(tǒng)自由能的變化與半徑的關系第第16頁頁/共共54頁頁vrrk，其進一步長大將導致體系，其進一步長大將導致體系總自由能增加，因此這種晶胚不能總自由能增加，因此這種晶胚不能成為晶核，會重新熔化；成為晶核，會重新熔化；vrrk，其進一步長大將導致體系，其進一步長大將導致體系自由能減小，因此半徑大于自由能減小，因此半徑大于rk的晶的晶胚能夠成為晶核；胚能夠成為晶核；vr=rk，其長大的趨勢和熔化的趨，其長大的趨勢和熔化的趨勢相

13、等。勢相等。v把半徑恰為把半徑恰為rk的晶核稱為臨界晶的晶核稱為臨界晶核，而核，而rk稱為晶核的臨界半徑。稱為晶核的臨界半徑。第第17頁頁/共共54頁頁23434rGrGVrGrdrGdV8420drGdmfVTTHGTHTrfmk2隨著過冷度隨著過冷度的增加，臨的增加，臨界晶核半徑界晶核半徑減小，形核減小，形核的幾率增加。的幾率增加。第第18頁頁/共共54頁頁u2.形核功形核功ur rk的晶核長大的晶核長大時，雖然可以使系統(tǒng)自由能下降，但形成時，雖然可以使系統(tǒng)自由能下降，但形成一個臨界晶核本身要引起系統(tǒng)自由能增加一個臨界晶核本身要引起系統(tǒng)自由能增加Gk，說明臨界，說明臨界晶核的形成是需要能量

14、的。晶核的形成是需要能量的。VkGr223434rGrGVkfmVkSTHTGG31)(316)(31622323u形成臨界晶核時，液、固兩相之間的自由能差只提供所需形成臨界晶核時，液、固兩相之間的自由能差只提供所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能要的表面能的三分之二，另外的三分之一則需由液體中的能量起伏來提供。量起伏來提供。第第19頁頁/共共54頁頁u所謂能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系所謂能量起伏是指體系中微小體積所具有的能量偏離體系的平均能量，而且微小體積的能量處于時起時伏，此起彼伏的平均能量，而且微小體積的能量處于時起時伏，此起彼伏狀態(tài)的現(xiàn)象。狀態(tài)的現(xiàn)

15、象。u能量起伏包括兩個含義：能量起伏包括兩個含義：一是在瞬時，各微觀體積的一是在瞬時，各微觀體積的能量不同，二是對某一微觀能量不同，二是對某一微觀體積，在不同瞬時，能量分體積，在不同瞬時，能量分布不同。在具有高能量的微布不同。在具有高能量的微觀地區(qū)生核，可以全部補償觀地區(qū)生核，可以全部補償表面能，使表面能，使G0。 圖 液相的能量起伏 第第20頁頁/共共54頁頁u液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是短程有序、長程無序。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是短程有序、長程無序。u由于原子的熱運動，它們只能維持短暫的時間很快就消失，由于原子的熱運動，它們只能維持短暫的時間很快就消失，同時在其它地方又會出現(xiàn)新的尺寸不等的規(guī)則排列的原子團，同

16、時在其它地方又會出現(xiàn)新的尺寸不等的規(guī)則排列的原子團，然后又立即消失。然后又立即消失。u液態(tài)金屬中的規(guī)則排列的原子團總是處于時起時伏，此起液態(tài)金屬中的規(guī)則排列的原子團總是處于時起時伏，此起彼伏的變化之中，人們把液態(tài)金屬中這種規(guī)則排列原子團的彼伏的變化之中，人們把液態(tài)金屬中這種規(guī)則排列原子團的起伏現(xiàn)象稱為相起伏或結(jié)構(gòu)起伏。起伏現(xiàn)象稱為相起伏或結(jié)構(gòu)起伏。u相起伏是產(chǎn)生晶核的基礎。當把金屬熔液過冷到熔點以下相起伏是產(chǎn)生晶核的基礎。當把金屬熔液過冷到熔點以下時，這種規(guī)則排列的原子團被凍結(jié)下來，成為規(guī)則排列的固時，這種規(guī)則排列的原子團被凍結(jié)下來，成為規(guī)則排列的固相，就有可能成為均勻形核的胚芽，故稱為晶胚。

17、相，就有可能成為均勻形核的胚芽，故稱為晶胚。第第21頁頁/共共54頁頁圖 臨界晶核半徑（a）和最大晶胚尺寸（b）與過冷度的關系uT =Tk時，時， rmax=rk ，最大晶核剛好能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，最大晶核剛好能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，把這樣的過冷度稱為臨界過冷度。把這樣的過冷度稱為臨界過冷度。u過冷度必須大于形核所需要的臨界過冷度，這是結(jié)晶的動過冷度必須大于形核所需要的臨界過冷度，這是結(jié)晶的動力學條件。力學條件。第第22頁頁/共共54頁頁思考題思考題v試述結(jié)晶相變的熱力學條件、動力學條件、能量及結(jié)構(gòu)條試述結(jié)晶相變的熱力學條件、動力學條件、能量及結(jié)構(gòu)條件。件。v分析結(jié)晶相變時系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力

18、學條分析結(jié)晶相變時系統(tǒng)自由能的變化可知，結(jié)晶的熱力學條件為件為G0。只有過冷，才能使。只有過冷，才能使G0。v動力學條件為液相的過冷度必須大于形核所需的臨界過冷動力學條件為液相的過冷度必須大于形核所需的臨界過冷度。度。v由臨界晶核形成功可知，當形成臨界晶核時，還有由臨界晶核形成功可知，當形成臨界晶核時，還有1/3的的表面能必須內(nèi)液體中的能量起伏來提供。表面能必須內(nèi)液體中的能量起伏來提供。v 液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時產(chǎn)生晶核的基礎，因液體中存在的結(jié)構(gòu)起伏，是結(jié)晶時產(chǎn)生晶核的基礎，因此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。此，結(jié)構(gòu)起伏是結(jié)晶過程必須具備的結(jié)構(gòu)條件。第第23頁頁/共共54頁頁

19、u3.形核率形核率u形核率受兩個互相矛盾的因素控制：形核率受兩個互相矛盾的因素控制：u一方面從熱力學考慮，過冷度愈大，晶核的臨界半徑及臨一方面從熱力學考慮，過冷度愈大，晶核的臨界半徑及臨界形核功愈小，因而需要的能量起伏小，則形核率愈高；界形核功愈小，因而需要的能量起伏小，則形核率愈高；u但另一方面從動力學考慮，過冷度愈大，原子活動能力愈但另一方面從動力學考慮，過冷度愈大，原子活動能力愈小，原子從液相轉(zhuǎn)移到臨界晶核上的幾率減小，不利于穩(wěn)定小，原子從液相轉(zhuǎn)移到臨界晶核上的幾率減小，不利于穩(wěn)定晶核形成，則形核率愈低。晶核形成，則形核率愈低。u綜合考慮上述兩個方面，形核率可用下式表示：綜合考慮上述兩個

20、方面，形核率可用下式表示：uN NN N1 1N N2 2 u式中式中N為總的形核率，為總的形核率，N1為受形核功影響的形核率因子，為受形核功影響的形核率因子，N2為受原子擴散影響的形核率因子。為受原子擴散影響的形核率因子。 第第24頁頁/共共54頁頁圖 溫度對N1、N2的影響（a）和形核率與溫度的關系（b） 第第25頁頁/共共54頁頁圖 不同結(jié)晶溫度下r和G的關系第第26頁頁/共共54頁頁圖 非均勻形核示意圖 THTGrfmLVLk222.4.2 非均勻形核非均勻形核u1.臨界晶核半徑和形核功臨界晶核半徑和形核功第第27頁頁/共共54頁頁）（4coscos323kkGG圖 不同潤濕角的晶核形

21、貌 v當當0時，則時，則 0，說明固體雜質(zhì)或型壁可作為現(xiàn)成晶，說明固體雜質(zhì)或型壁可作為現(xiàn)成晶核，這是無核長大的情況，如圖核，這是無核長大的情況，如圖a所示。所示。v當當時，則時，則 。v當當 0時，時， ，這便是非均勻形核的條件，如，這便是非均勻形核的條件，如圖圖b所示。所示。kGkkGGkkGG第第28頁頁/共共54頁頁v非均勻形核時的形核率表達式與均勻形核相似。只是由非均勻形核時的形核率表達式與均勻形核相似。只是由于于 ，所以非均勻形核可在較小過冷度下獲得較高的形核，所以非均勻形核可在較小過冷度下獲得較高的形核率。率。v非均勻形核的最大形核率小于均勻形核。其原因是非均勻形核非均勻形核的最大

22、形核率小于均勻形核。其原因是非均勻形核需要合適的需要合適的“基底基底”，而基底數(shù)量是有限的，當新相晶核很快地，而基底數(shù)量是有限的，當新相晶核很快地覆蓋基底時，使適合新相形核的基底大為減少。覆蓋基底時，使適合新相形核的基底大為減少。v不是任何固體雜質(zhì)均能作為非均勻形核的基底促進非均勻形核。不是任何固體雜質(zhì)均能作為非均勻形核的基底促進非均勻形核。只有那些與晶核的晶體結(jié)構(gòu)相似，點陣常數(shù)相近的固體雜質(zhì)才能只有那些與晶核的晶體結(jié)構(gòu)相似，點陣常數(shù)相近的固體雜質(zhì)才能促進非均勻形核，這樣可以減小固體雜質(zhì)與晶核之間的表面張力，促進非均勻形核，這樣可以減小固體雜質(zhì)與晶核之間的表面張力，從而減小從而減小角以減小角以

23、減小 。u2.形核率形核率kkGGG第第29頁頁/共共54頁頁圖非均勻形核功與均勻形核功對比的示意圖kGGkG第第30頁頁/共共54頁頁圖 均勻形核率和非均勻形核率隨過冷度變化的對比 第第31頁頁/共共54頁頁第五節(jié)第五節(jié) 晶核長大晶核長大圖 液-固界面上的原子遷移 v一旦核心形成后，晶核就繼續(xù)長大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就繼續(xù)長大而形成晶粒。v系統(tǒng)總自由能隨晶體體積的增加而下降是晶體長大的系統(tǒng)總自由能隨晶體體積的增加而下降是晶體長大的驅(qū)動力。晶體的長大過程可以看作是液相中原子向晶核驅(qū)動力。晶體的長大過程可以看作是液相中原子向晶核表面遷移、液表面遷移、液- -固界面向液相不斷推進的過程

24、。固界面向液相不斷推進的過程。第第32頁頁/共共54頁頁u固固-液界面液界面(Solid-liquid interface)按微觀結(jié)構(gòu)可以分為光滑按微觀結(jié)構(gòu)可以分為光滑界面界面(Smooth interface)和粗糙界面和粗糙界面(Rough interface)兩種。兩種。u所謂光滑界面是指固相表面為基本完整的原子密排面，固所謂光滑界面是指固相表面為基本完整的原子密排面，固液兩相截然分開，從微觀上看界面是光滑的。但是從宏觀來液兩相截然分開，從微觀上看界面是光滑的。但是從宏觀來看，界面呈鋸齒狀的折線。看，界面呈鋸齒狀的折線。u粗糙界面在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個原子厚度的粗糙界面在微觀上

25、高低不平、粗糙，存在幾個原子厚度的過渡層。但是宏觀上看，界面反而是平直的。過渡層。但是宏觀上看，界面反而是平直的。u光滑界面和粗糙界面是根據(jù)光滑界面和粗糙界面是根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)進行分類的，光滑界進行分類的，光滑界面在微觀上是光滑的，在宏觀上是粗糙的；粗糙界面在微觀面在微觀上是光滑的，在宏觀上是粗糙的；粗糙界面在微觀上是粗糙的，在宏觀上是光滑的。上是粗糙的，在宏觀上是光滑的。2.5.1 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)第第33頁頁/共共54頁頁圖 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)示意圖第第34頁頁/共共54頁頁u晶體長大機制是指在結(jié)晶過程晶體結(jié)晶面的生長方式，晶體長大機制是

26、指在結(jié)晶過程晶體結(jié)晶面的生長方式，與其液與其液-固相界面的結(jié)構(gòu)有關。固相界面的結(jié)構(gòu)有關。2.5.2 晶體長大機制晶體長大機制u1.1.具有粗糙界面的物質(zhì)的長大機制具有粗糙界面的物質(zhì)的長大機制u2.2.具有光滑界面的物質(zhì)的長大機制具有光滑界面的物質(zhì)的長大機制第第35頁頁/共共54頁頁u1.具有粗糙界面的物質(zhì)的長大機制具有粗糙界面的物質(zhì)的長大機制u具有粗糙界面的物質(zhì)，液具有粗糙界面的物質(zhì)，液-固相界面上有大約一半的原子固相界面上有大約一半的原子位置是空的，液相中的原子可隨機地添加在界面的空位置位置是空的，液相中的原子可隨機地添加在界面的空位置上而成為固相原子。晶體的這種生長方式稱為垂直生長機上而成

27、為固相原子。晶體的這種生長方式稱為垂直生長機制，其長大速度很快。制，其長大速度很快。 圖 晶體的垂直長大方式示意圖 第第36頁頁/共共54頁頁v2.具有光滑界面的物質(zhì)的長大機制具有光滑界面的物質(zhì)的長大機制v（1 1）二維晶核臺階生長模型）二維晶核臺階生長模型v首先在平整界面上通過均勻形核形成一個具有單原子厚度首先在平整界面上通過均勻形核形成一個具有單原子厚度的二維晶核，然后液相中的原子不斷地依附在二維晶核周圍的二維晶核，然后液相中的原子不斷地依附在二維晶核周圍的臺階上，使二維晶核很快地向四周橫向擴展而覆蓋了整個的臺階上，使二維晶核很快地向四周橫向擴展而覆蓋了整個晶體表面，此時便又變成了光滑界面

28、。接著在新的界面上又晶體表面，此時便又變成了光滑界面。接著在新的界面上又形成新的二維晶核，并向橫向擴展而長滿一層。形成新的二維晶核，并向橫向擴展而長滿一層。v晶體以這種方式長大時，其長大速度十分緩慢。晶體以這種方式長大時，其長大速度十分緩慢。第第37頁頁/共共54頁頁圖 二維晶核長大示意圖 第第38頁頁/共共54頁頁v（2 2）晶體缺陷臺階生長機制晶體缺陷臺階生長機制v 由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強的過冷條件的過冷條件，長大速率很慢，長大速率很慢。v如果結(jié)晶過程中，在晶體表面存在著垂直于界面的螺位錯如果結(jié)晶過程中，在晶體表面存

29、在著垂直于界面的螺位錯露頭，那么液相原子或二維晶核就會優(yōu)先附在這些地方。液露頭，那么液相原子或二維晶核就會優(yōu)先附在這些地方。液相原子不斷地添加到由螺位錯露頭形成的臺階上，界面以臺相原子不斷地添加到由螺位錯露頭形成的臺階上，界面以臺階機制生長和按螺旋方式連續(xù)地掃過界面，在成長的界面上階機制生長和按螺旋方式連續(xù)地掃過界面，在成長的界面上將形成螺旋新臺階。這種生長是連續(xù)的。將形成螺旋新臺階。這種生長是連續(xù)的。第第39頁頁/共共54頁頁圖 螺型位錯長大機制 第第40頁頁/共共54頁頁圖 螺旋長大的SiC晶體第第41頁頁/共共54頁頁u純金屬凝固時晶體的生長形態(tài)取決于界面的微觀結(jié)構(gòu)和界純金屬凝固時晶體的

30、生長形態(tài)取決于界面的微觀結(jié)構(gòu)和界面前沿液相中的溫度分布。面前沿液相中的溫度分布。圖 兩種溫度分布方式(a) 正溫度梯度 (b) 負溫度梯度 2.5.3 固液界面前沿液體中的溫度梯度固液界面前沿液體中的溫度梯度第第42頁頁/共共54頁頁思考題思考題v為什么會出現(xiàn)負的溫度梯度？為什么會出現(xiàn)負的溫度梯度？v 液態(tài)金屬在鑄模中凝固時，往往由于模壁溫度比較低，使液態(tài)金屬在鑄模中凝固時，往往由于模壁溫度比較低，使靠近模壁的液體首先過冷而凝固。而在鑄模中心的液體溫度靠近模壁的液體首先過冷而凝固。而在鑄模中心的液體溫度最高，液體的熱量和結(jié)晶潛熱通過固相和模壁傳導而迅速散最高，液體的熱量和結(jié)晶潛熱通過固相和模壁

31、傳導而迅速散出，這樣就造成了液出，這樣就造成了液-固相界面前沿液體的溫度分布為正的固相界面前沿液體的溫度分布為正的溫度梯度。溫度梯度。 v在緩慢冷卻條件下，液體內(nèi)部的溫度分布比較均勻并同時在緩慢冷卻條件下，液體內(nèi)部的溫度分布比較均勻并同時過冷到某一溫度。這時在模壁上的液體首先開始形核長大，過冷到某一溫度。這時在模壁上的液體首先開始形核長大，液液-固相界面上所產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱將同時通過固相和液相傳固相界面上所產(chǎn)生的結(jié)晶潛熱將同時通過固相和液相傳導散出，這樣使得界面前沿的液體中產(chǎn)生負的溫度梯度。導散出，這樣使得界面前沿的液體中產(chǎn)生負的溫度梯度。 第第43頁頁/共共54頁頁第六節(jié)第六節(jié) 結(jié)晶理論的某些

32、實際應用結(jié)晶理論的某些實際應用第第44頁頁/共共54頁頁2.6.1晶粒大小的控制晶粒大小的控制u1.表示：晶粒的大小，通常用單位體積中的晶粒數(shù)或近表示：晶粒的大小，通常用單位體積中的晶粒數(shù)或近似的把晶粒看成球體，用它們的平均直徑來衡量，稱作似的把晶?？闯汕蝮w，用它們的平均直徑來衡量，稱作晶粒度晶粒度。u2.晶粒度主要取決于形核率與晶核的長大速度。晶粒度主要取決于形核率與晶核的長大速度。u3.控制晶粒大小的途徑：控制晶粒大小的途徑： 增加過冷度；變質(zhì)處理；振動攪拌增加過冷度；變質(zhì)處理；振動攪拌第第45頁頁/共共54頁頁u細化晶粒的好處：提高強度、硬度、塑性和韌性。細化晶粒的好處：提高強度、硬度、

33、塑性和韌性。u工業(yè)上將通過細化晶粒來提高材料強度的方法稱為細晶強工業(yè)上將通過細化晶粒來提高材料強度的方法稱為細晶強化。化。u細化鑄件晶粒的基本途徑：形成足夠多的晶核，使它們在細化鑄件晶粒的基本途徑：形成足夠多的晶核，使它們在尚未顯著長大時便相互接觸，完成結(jié)晶過程。尚未顯著長大時便相互接觸，完成結(jié)晶過程。u大的形核率以保證單位時間、單位體積液體中形成更多的大的形核率以保證單位時間、單位體積液體中形成更多的晶核。要求結(jié)晶時有小的長大線速度以保證有更長的形核時晶核。要求結(jié)晶時有小的長大線速度以保證有更長的形核時間。間。 第第46頁頁/共共54頁頁第第47頁頁/共共54頁頁v1.提高過冷度提高過冷度v過冷度增加，形核率過冷度增加，形核率N與長大線速度與長大線速度G均增加，但形核率均增加，但形核率增加速度高于