第四講金屬結晶的現(xiàn)象及條件

1、第四講 金屬結晶的現(xiàn)象及條件第一節(jié) 金屬結晶的現(xiàn)象一、 主要內(nèi)容：金屬結晶的宏觀現(xiàn)象金屬結晶的微觀現(xiàn)象二、 要點：金屬結晶的熱分析曲線，熱分析法，過冷現(xiàn)象，過冷度，結晶潛熱，金屬結晶的熱分析曲線分析，金屬結晶的微觀過程分析，形核，晶核長大。三、 方法說明：首先介紹熱分析法，說明熱分析曲線，介紹金屬的熱分析曲線的特征，說明過冷現(xiàn)象，過冷度，結晶潛熱，金屬結晶的微觀現(xiàn)象，可舉例說明晶核的形成和長大的過程，如窗花，鹽，冰，植物等增加學生的感性認識和對形核、長大的理解。授課內(nèi)容：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。凝固后的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固稱為結晶。一

2、、 金屬結晶過程中的宏觀現(xiàn)象熱分析法：將純金屬放入坩堝中加熱熔化成液態(tài)，然后插入熱電偶測量溫度，讓液態(tài)金屬緩慢而均勻的冷卻，用XY記錄儀將冷卻過程中的溫度與時間記錄下來，獲得冷卻曲線，這種實驗方法叫熱分析法。如圖 圖1 熱分析實驗裝置示意圖 圖2 純金屬的冷卻曲線2、熱分析曲線：純金屬的冷卻曲線，即溫度隨時間的變化曲線。3、過冷現(xiàn)象：金屬的實際開始凝固溫度Tn總是低于理論凝固 溫度Tm的現(xiàn)象。4、過冷度：理論凝固溫度與實際開始凝固溫度之差,即 TTm-Tn。結晶潛熱：金屬熔化時從固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)需要吸收熱量，而結晶時從液態(tài)轉化為固態(tài)要放出熱量，前者叫熔化潛熱，后者叫結晶潛熱。二、 金屬結晶的微觀

3、過程金屬的結晶是一個晶核的形成和晶核的長大過程。第二節(jié) 金屬結晶的熱力學條件第三節(jié) 金屬結晶的結構條件一、 主要內(nèi)容：金屬結晶的驅動力和熱力學條件結構起伏的概念二、 要點：熱力學第二定律，物質(zhì)系統(tǒng)，自發(fā)過程，熵的概念，金屬結晶過程液固兩相自由能之差的推導， 液相、固相自由能隨溫度變化示意圖晶胚，晶核，近程有序，遠程有序，液態(tài)金屬的結構，液態(tài)金屬中不同尺寸結構起伏出現(xiàn)的幾率，最大結構起伏尺寸與過冷度的關系三、 方法說明：熵，物質(zhì)系統(tǒng)，自發(fā)過程等概念較抽象，打比方形象的說明有利于學生的理解。用液態(tài)金屬的宏觀特性解釋液態(tài)金屬的微觀結構，解釋金屬結晶的微觀過程，講清晶胚，晶核等概念及影響因素，說明金屬

4、結晶的結構條件授課內(nèi)容：第二節(jié) 金屬結晶的熱力學條件熱力學第二定律：在等溫等壓下，過程自發(fā)進行的方向是體系自由能降低的方向。自由能G用下式表示： G=H-TS， 式中，H是焓；T是絕對溫度；S是熵，可推導得 dG Vdp SdT。 在等壓時，dp=0，故上式簡化為： dG SdT。由于熵恒為正值，所以自由能是隨溫度增高而減小。 圖3 自由能隨溫度變化的示意圖純晶體的液、固兩相的自由能隨溫度變化規(guī)律如圖所示。這樣，兩條斜率不同的曲線必然相交于一點，該點表示液、固兩相的自由能相等，故兩相處于平衡而共存，此溫度即為理論凝固溫度，也就是晶體的熔點Tm。事實上，在此兩相共存溫度，既不能完全結晶，也不能完

5、全熔化，要發(fā)生結晶則體系必須降至低于Tm溫度，而發(fā)生熔化則必須高于Tm。 在一定溫度下，從一相轉變?yōu)榱硪幌嗟淖杂赡茏兓癁?GV=GLGSHLTSL(HSTSS)（HLHS）T（SLSS）LmHLHS 為熔化潛熱。當結晶溫度TTm時，GV0，即LmT（SLSS）TS當TTm時，由于S的變化很小，可視為常數(shù)，得出 GVLmTLm/TmLm（1T/Tm）LmT/Tm式中，T=Tm-T，是熔點Tm與實際凝固溫度T之差。 由上式可知，要使 Gv0，必須使 T0，即 TTm，故T稱為過冷度。晶體凝固的熱力學條件表明，實際凝固溫度應低于熔點Tm，即需要有過冷度。 第三節(jié) 金屬結晶的結構條件液態(tài)金屬的結構：（介紹說明）結構起伏（相起伏）：液態(tài)金屬中的這種近程有序的原子集團，處于瞬間出現(xiàn)，瞬間消失，此起彼伏，變化不定的狀態(tài)，這種不斷變化著的近程有序原子集團稱為結構起伏，或相起伏。相起伏的