金屬凝固理論

1、2021/8/612021/8/62凝固凝固是物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，是液態(tài)成形技術(shù)的是物質(zhì)由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟倪^程，是液態(tài)成形技術(shù)的核心問題，也是材料研究和新材料開發(fā)領(lǐng)域共同關(guān)注的問題。核心問題，也是材料研究和新材料開發(fā)領(lǐng)域共同關(guān)注的問題。 嚴格地說，凝固包括：嚴格地說，凝固包括：（1）由）由液體向晶態(tài)固體液體向晶態(tài)固體轉(zhuǎn)變（結(jié)晶）轉(zhuǎn)變（結(jié)晶）（2）由）由液體向非晶態(tài)固體液體向非晶態(tài)固體轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變（玻璃化轉(zhuǎn)變玻璃化轉(zhuǎn)變） 常用工業(yè)合金或金屬的凝固過程一般只涉及前者，本章主常用工業(yè)合金或金屬的凝固過程一般只涉及前者，本章主要討論要討論純金屬結(jié)晶過程的形核及晶體生長熱力學(xué)與動力學(xué)純金屬結(jié)晶過程的

2、形核及晶體生長熱力學(xué)與動力學(xué)。 2021/8/632021/8/642021/8/652021/8/662021/8/67熱力學(xué)條件：熱力學(xué)條件： LS, G0, 過程自發(fā)進行過程自發(fā)進行STHTSHTSHGGGSSLLSLv)()(mmmVTTLTTTLG)(T=Tm時，時，0STHGmvmmTLTHS/故故GV只與只與T有關(guān)。因此液態(tài)金屬（合金）凝固的驅(qū)動力是有關(guān)。因此液態(tài)金屬（合金）凝固的驅(qū)動力是由過冷度提供的，或者說過冷度由過冷度提供的，或者說過冷度T就是凝固的驅(qū)動力。就是凝固的驅(qū)動力。圖1 液-固兩相自由能與溫度的關(guān)系2021/8/68圖圖2 金屬原子在結(jié)晶過程金屬原子在結(jié)晶過程中的

3、自由能變化中的自由能變化2021/8/69K0 1C0K0C0/K0TC*SC*LC0C， %T*LSCCK02021/8/6102021/8/6112021/8/6122021/8/613液相中形成球形晶胚時自由能變化液相中形成球形晶胚時自由能變化SLSVAVGVGSLVrGrG234342021/8/614VSLGr2THTmmSL223316THTGmmSL2021/8/615SLAG31經(jīng)推導(dǎo)得：經(jīng)推導(dǎo)得：2021/8/616I T* 0.2Tm T 均質(zhì)形核的形核率均質(zhì)形核的形核率 與過冷度的關(guān)系與過冷度的關(guān)系形核率：是單位體積中、單位時間內(nèi)形成的晶核數(shù)目。形核率：是單位體積中、單位

4、時間內(nèi)形成的晶核數(shù)目。KTGKTGCIAexpexp2021/8/6172021/8/618hoheGG)coscos32(413hoGf)( 當(dāng)當(dāng)0 時，時，Ghe = 0，此時在無過冷情況下即可形核，此時在無過冷情況下即可形核 當(dāng)當(dāng)180 時，時， Ghe = Gho一般一般遠小于遠小于180， Ghe 遠小于遠小于Gho。 如圖所示。如圖所示。THTGrmmLCVLC22*2021/8/619 T*T*IheIheIhoT* IT2021/8/620完完全全不不共共格格。完完全全共共格格；%,25%,5%100NNCaaa錯配度2021/8/6212021/8/6222021/8/623

5、2021/8/6242021/8/625如何判斷凝固界面的微觀結(jié)構(gòu)？如何判斷凝固界面的微觀結(jié)構(gòu)？設(shè)晶體內(nèi)部原子配位數(shù)為設(shè)晶體內(nèi)部原子配位數(shù)為，界面上（某一，界面上（某一晶面）的配位數(shù)為晶面）的配位數(shù)為，晶體表面上，晶體表面上N個原子個原子位置有位置有NA個原子（個原子（ ），則在熔），則在熔點點Tm時，單個原子由液相向固時，單個原子由液相向固-液界面的固液界面的固相上沉積的相對自由能變化為：相上沉積的相對自由能變化為：NNxA)1ln()1 (ln)1 (xxxxxxkTHNkTFmmSm )1ln()1 (ln)1 (xxxxxax2021/8/626mkTHamfmmSTH/ 凡屬凡屬 5

6、的物質(zhì)凝固時界的物質(zhì)凝固時界面為面為光滑面光滑面， 非常大時，非常大時，F(xiàn)S的兩個最小值出現(xiàn)在的兩個最小值出現(xiàn)在x0或或1處（晶體表面位置處（晶體表面位置已被占滿）。已被占滿）。有機物及無有機物及無機物屬此類機物屬此類； =25的物質(zhì)，常為多種的物質(zhì)，常為多種方式的混合，方式的混合，Bi、Si、Sb等屬于此類。等屬于此類。2021/8/6272021/8/6282021/8/6292021/8/6302021/8/631（1）二維晶核機制：二維晶核機制：臺階在界面鋪滿后即消失，要進一步長大仍須臺階在界面鋪滿后即消失，要進一步長大仍須 再產(chǎn)生二維晶核；再產(chǎn)生二維晶核；（2）螺旋位錯機制：螺旋位錯機制：這種螺旋位錯臺階在生長過程中不會消失；這種螺旋位錯臺階在生長過程中不會消失；（3）孿晶面機制：孿晶面機制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進行。長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進行。2021/8/6322021/8/633