材料科學(xué)基礎(chǔ)第六章材料的凝固

1、貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第六章第六章 材料的凝固材料的凝固THE SOLIDIFICATION OF MATERIALS材料凝固時(shí)晶核的形成材料凝固時(shí)晶核的形成材料凝固時(shí)晶體的生長(zhǎng)材料凝固時(shí)晶體的生長(zhǎng)固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固共晶合金的凝固共晶合金的凝固制造工藝與凝固組織制造工藝與凝固組織用凝固法材料的制備技術(shù)用凝固法材料的制備技術(shù)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND M

2、ATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY大多數(shù)金屬材料都是在液態(tài)下冶煉，經(jīng)過凝固而成為大多數(shù)金屬材料都是在液態(tài)下冶煉，經(jīng)過凝固而成為固態(tài)金屬的。固態(tài)金屬的。凝固理論是材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)之一。凝固理論是材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)之一。掌握凝固的規(guī)律，對(duì)控制（如鑄造和焊接的）凝固過掌握凝固的規(guī)律，對(duì)控制（如鑄造和焊接的）凝固過程、獲得所需的凝固組織和性能具有重要意義。程、獲得所需的凝固組織和性能具有重要意義。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU

3、NORMAL UNIVERSITY物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過程稱為相變相變。固態(tài)相變固態(tài)相變氣固相變氣固相變液固相變液固相變物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固凝固。凝固凝固晶體：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，稱為晶體：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，稱為結(jié)晶結(jié)晶非晶體：材料在凝固過程中逐漸變硬非晶體：材料在凝固過程中逐漸變硬貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第一節(jié)第一節(jié) 材料結(jié)晶時(shí)晶核的形成材料結(jié)晶時(shí)晶核

4、的形成THE FORMATION OF NUCLEUS AS MATERIALS CRYSTALLIZING結(jié)晶的基本規(guī)律結(jié)晶的基本規(guī)律均勻形核均勻形核形核率形核率非均勻形核非均勻形核貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、結(jié)晶的基本規(guī)律一、結(jié)晶的基本規(guī)律 1. 1. 液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固態(tài)下為晶體的材料，其在液態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)介于晶態(tài)與固態(tài)下為晶體的材料，其在液態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)介于晶態(tài)與氣態(tài)之間，它不像晶體中原子作規(guī)則的三維排列，但氣態(tài)之間，它不

5、像晶體中原子作規(guī)則的三維排列，但也不像氣體中原子那樣任意地分布著。也不像氣體中原子那樣任意地分布著。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY液體中原子間的平均距離比固體中略大液體中原子間的平均距離比固體中略大液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)的固體的配位數(shù)減少，液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)的固體的配位數(shù)減少，通常在通常在8-118-11范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。上述均導(dǎo)致熔化時(shí)體積略為增加，但對(duì)非密排結(jié)構(gòu)的上述均導(dǎo)致熔化時(shí)體積略為增加，但對(duì)非密排結(jié)構(gòu)的晶體如晶體如B

6、iBi、SbSb、GaGa、GeGe等，則液態(tài)時(shí)配位數(shù)反而增大，等，則液態(tài)時(shí)配位數(shù)反而增大，故熔化時(shí)體積略為收縮。故熔化時(shí)體積略為收縮。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY晶體材料的液態(tài)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)程來說晶體材料的液態(tài)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)程來說是無序的，而在短程范圍內(nèi)原子是無序的，而在短程范圍內(nèi)原子的排列則并非是完全混亂的，而的排列則并非是完全混亂的，而是在許多微小區(qū)域存在著與晶態(tài)是在許多微小區(qū)域存在著與晶態(tài)的原子排列近似的原子團(tuán)（尤其的原子排列近似的原子團(tuán)（尤

7、其是在接近于熔點(diǎn)的液相中），這是在接近于熔點(diǎn)的液相中），這種短程有序原子團(tuán)稱為種短程有序原子團(tuán)稱為晶胚晶胚。時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，時(shí)聚時(shí)散時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，時(shí)聚時(shí)散結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏在熔點(diǎn)以下，能自發(fā)長(zhǎng)大的晶胚在熔點(diǎn)以下，能自發(fā)長(zhǎng)大的晶胚晶核晶核貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 晶體結(jié)晶的熱力學(xué)條件晶體結(jié)晶的熱力學(xué)條件實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明，純金屬液體被冷卻到熔點(diǎn)，純金屬液體被冷卻到熔點(diǎn)T Tm m（理論結(jié)晶溫（理論結(jié)晶溫度）時(shí)保溫，無論

8、保溫多長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)進(jìn)行結(jié)晶，只度）時(shí)保溫，無論保溫多長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)進(jìn)行結(jié)晶，只有當(dāng)溫度明顯低于有當(dāng)溫度明顯低于T Tm m時(shí)，結(jié)晶才開始。時(shí)，結(jié)晶才開始。金屬要在過冷的條件下才能結(jié)晶。金屬要在過冷的條件下才能結(jié)晶。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY液態(tài)和固態(tài)的吉布斯液態(tài)和固態(tài)的吉布斯自由能自由能- -溫度曲線溫度曲線LSLSGHTSdGSdTSSGG 比下降更快結(jié)晶轉(zhuǎn)變的必要條件：結(jié)晶轉(zhuǎn)變的必要條件：0SLGGG0mmTTTTT或結(jié)晶只有在結(jié)晶只

9、有在T Tm m以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行，叫以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)行，叫過冷過冷貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITYmmmmmmmmmmmmmmmVmmmmmTG=H- TS=0HLS=-LTTT=T- THSHT- TLTG=H- TS=H- TS=-TTL0,0,G0GT在下，為熔化潛熱當(dāng)過冷度不大時(shí)，及可看做與溫度無關(guān)（）則越大，絕對(duì)值越大，凝固的驅(qū)動(dòng)力越大是金屬凝固的熱力學(xué)條件，是凝固的驅(qū)動(dòng)力mmmmmmmmmmmmmmmVmmm

10、mmTG=H-TS=0HLS=-LTTT=T-THSHT-TLTG=H-TS=H-TS=-TTL0,0,G0GT在下，為熔化潛熱當(dāng)過冷度不大時(shí)，及可看做與溫度無關(guān)（）則越大，絕對(duì)值越大，凝固的驅(qū)動(dòng)力越大是金屬凝固的熱力學(xué)條件，是凝固的驅(qū)動(dòng)力mmmmmmmmmmmmmmmVmmmmmTG=H-TS=0HLS=-LTTT=T-THSHT-TLTG=H-TS=H-TS=-TTL0,0,G0GT在下，為熔化潛熱當(dāng)過冷度不大時(shí)，及可看做與溫度無關(guān)（）則越大，絕對(duì)值越大，凝固的驅(qū)動(dòng)力越大是金屬凝固的熱力學(xué)條件，是凝固的驅(qū)動(dòng)力mmmmmmmmmmmmmmmVmmmmmTG=H- TS=0HLS=-LTTT=

11、T- THSHT- TLTG=H- TS=H- TS=-TTL0,0,G0GT在下，為熔化潛熱當(dāng)過冷度不大時(shí)，及可看做與溫度無關(guān)（）則越大，絕對(duì)值越大，凝固的驅(qū)動(dòng)力越大是金屬凝固的熱力學(xué)條件，是凝固的驅(qū)動(dòng)力貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY過冷度過冷度：T=Tm-T0 v v 則則T T 純鐵結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線純鐵結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線冷卻速度對(duì)冷卻曲線的影響冷卻速度對(duì)冷卻曲線的影響貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF C

12、HEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 結(jié)晶的一般過程結(jié)晶的一般過程結(jié)晶是晶核不斷形成及不斷長(zhǎng)大的過程。結(jié)晶是晶核不斷形成及不斷長(zhǎng)大的過程。均勻形核均勻形核由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成的晶核，由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成的晶核， 單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)相同。單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)相同。非均勻形核非均勻形核以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)（模壁、雜以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)（模壁、雜 質(zhì)、自由表面）為核心形核，非均勻質(zhì)、自由表面）為核心形核，非均勻 形核更加普遍。形核更加普遍。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)

13、學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二、均勻形核二、均勻形核 1. 1. 晶胚形成時(shí)的自由能變化晶胚形成時(shí)的自由能變化VGGVA GG與晶胚半徑與晶胚半徑r r的關(guān)系的關(guān)系式中，式中， V V 晶胚的體積晶胚的體積 GGV V體積自由能體積自由能 A A 晶胚的表面積晶胚的表面積 晶胚單位面積表面能晶胚單位面積表面能設(shè)晶胚是半徑為設(shè)晶胚是半徑為r r的球形的球形32443VGGrr 貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERI

14、AL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 臨界晶核半徑臨界晶核半徑r rk k臨界晶核半徑臨界晶核半徑rk能成為晶核的晶胚的最小半徑能成為晶核的晶胚的最小半徑rrk，晶胚長(zhǎng)大使自由能降低，晶胚將成為晶核，晶胚長(zhǎng)大使自由能降低，晶胚將成為晶核r=rk，晶胚熔化、長(zhǎng)大均有可能，晶胚熔化、長(zhǎng)大均有可能臨界晶核時(shí)臨界晶核時(shí)()0dGdr22mkVmTrGLT 貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3

15、. 臨界形核功臨界形核功GGk k將將rk代入代入G得：得：32322161613()3(LT)3mkkVmTGAGAk臨界晶核表面積臨界晶核表面積形成臨界晶核時(shí)自由能增加，與形成臨界晶核時(shí)自由能增加，與T2反比反比過冷度越大，臨界晶核越小，形核功越小過冷度越大，臨界晶核越小，形核功越小熔點(diǎn)時(shí)無形核熔點(diǎn)時(shí)無形核貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY222164()kkVArG3kkAG 臨界形核時(shí)的能量增高等于表面能的臨界形核時(shí)的能量增高等于表面能

16、的1/31/3，液，液/ /固兩相固兩相體積自由能差可補(bǔ)償表面能的體積自由能差可補(bǔ)償表面能的2/32/3，另外，另外1/31/3靠系統(tǒng)自靠系統(tǒng)自身存在的能量起伏補(bǔ)足。身存在的能量起伏補(bǔ)足。形核條件形核條件= =過冷度過冷度+ +結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏+ +能量起伏能量起伏貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY三、形核率三、形核率形核率形核率N單位時(shí)間、單位體積液體中的形核數(shù)單位時(shí)間、單位體積液體中的形核數(shù)expexpkAGGNBkTkT形核功因子形核功因

17、子原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散幾率因子幾率因子第一項(xiàng)隨過冷度增加而急劇增加第一項(xiàng)隨過冷度增加而急劇增加第二項(xiàng)對(duì)溫度變化不敏感第二項(xiàng)對(duì)溫度變化不敏感TT過小時(shí)：過小時(shí)：TT增大，增大，r rk k減小，減小，N N 迅速達(dá)到最大值迅速達(dá)到最大值TT繼續(xù)增大，低溫?cái)U(kuò)散困難，繼續(xù)增大，低溫?cái)U(kuò)散困難，N N降低降低貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY通常情況下，金屬的結(jié)晶在達(dá)通常情況下，金屬的結(jié)晶在達(dá)到某一過冷度（約為到某一過冷度（約為0.2T0.2Tm mK K）

18、時(shí)（有效形核溫度），形核率時(shí)（有效形核溫度），形核率N N急劇上升急劇上升貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU N

19、ORMAL UNIVERSITY例題：例題：已知銅的熔點(diǎn)為已知銅的熔點(diǎn)為1356K1356K，過冷度為，過冷度為236K236K，熔，熔化熱為化熱為1628162810106 6J/mJ/m3 3，比表面能，比表面3J/mJ/m2 2，晶，晶胞參數(shù)胞參數(shù)3.6153.6151010-10-10m m，求臨界晶核中的銅原子數(shù)。，求臨界晶核中的銅原子數(shù)。解：解：臨界晶核半徑臨界晶核半徑39622 177 1013561.249 101628 10236mkmTrmHT臨界晶核體積臨界晶核體積327348.157 103CkVrm貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)

20、學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY銅的晶胞體積銅的晶胞體積329304.724 10LVam臨界晶核中銅晶胞的數(shù)量臨界晶核中銅晶胞的數(shù)量173CLVnV臨界晶核中銅原子的數(shù)量：臨界晶核中銅原子的數(shù)量：1731734=6924=692說明均勻形核實(shí)際上非常困難說明均勻形核實(shí)際上非常困難貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY四、非均勻形核四、非均

21、勻形核液相中總是存在著一些固體顆粒，除非在特殊的實(shí)驗(yàn)液相中總是存在著一些固體顆粒，除非在特殊的實(shí)驗(yàn)室條件下，液相中不會(huì)發(fā)生均勻形核；另外，材料凝室條件下，液相中不會(huì)發(fā)生均勻形核；另外，材料凝固時(shí)液體總要與鑄模內(nèi)壁接觸，總是存在一些現(xiàn)成的固時(shí)液體總要與鑄模內(nèi)壁接觸，總是存在一些現(xiàn)成的界面，可促進(jìn)晶核以非均勻形核的方式形成。界面，可促進(jìn)晶核以非均勻形核的方式形成。非均勻形核時(shí)，除了原有鑄模內(nèi)壁或固體顆粒（稱為非均勻形核時(shí)，除了原有鑄模內(nèi)壁或固體顆粒（稱為非均勻形核的固態(tài)基底）與液相之間的界面外，也使非均勻形核的固態(tài)基底）與液相之間的界面外，也使體系中增加了兩種新的界面，即晶核與固態(tài)基底之間體系中增

22、加了兩種新的界面，即晶核與固態(tài)基底之間的界面以及晶核與液相之間的界面。的界面以及晶核與液相之間的界面。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 1. 1. 晶胚形成時(shí)的自由能變化晶胚形成時(shí)的自由能變化VSGGVG 非GGS S：晶胚表面自由能的改變：晶胚表面自由能的改變?cè)O(shè)，晶胚為形成于基底平面上的球冠設(shè)，晶胚為形成于基底平面上的球冠球冠半徑為球冠半徑為r r體積為體積為V V接觸角為接觸角為球冠底圓半徑球冠底圓半徑R=rsinR=rsin貴州師范大學(xué)

23、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY3323coscos3Vr2/222/2(1 cos )(1 cos)L SS BArARr/S/()SL SL SBS BL BGAA/cosL BS BL SVSGGVG 非貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 臨界晶核半徑臨界晶核半徑r r非非k k 3.

24、3. 臨界形核功臨界形核功GG非非k k/()20,rL SkVdGdrG 非非令則33/21623coscos3()4L SVGG非k貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 4. 4. 討論討論1 1）r r均均k k=r=r非非k k，但臨界晶核體積不同，但臨界晶核體積不同2 2）GG非非=G=G均均S S（）當(dāng)當(dāng)=0=0，S S（）=0=0，GG非非=0=0，即為完全潤(rùn)濕的情況，非，即為完全潤(rùn)濕的情況，非均勻形核時(shí)無需形核功，可以直接長(zhǎng)大，稱

25、為外延生長(zhǎng)均勻形核時(shí)無需形核功，可以直接長(zhǎng)大，稱為外延生長(zhǎng)當(dāng)當(dāng)=，S S（）=1=1，GG非非=G=G均均，即完全不潤(rùn)濕，相當(dāng)，即完全不潤(rùn)濕，相當(dāng)于均勻形核，即基底對(duì)形核不起作用于均勻形核，即基底對(duì)形核不起作用當(dāng)當(dāng)00，0S0S（）11，GG非非GG均均，故非均勻形核時(shí)，故非均勻形核時(shí)所需的過冷度較均勻形核時(shí)要小，更易于進(jìn)行所需的過冷度較均勻形核時(shí)要小，更易于進(jìn)行貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITYG均非均勻形核所需的過冷度更小，約為非均勻形核所

26、需的過冷度更小，約為0.02T0.02Tm m貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY3 3）晶核與基底之間的界面能越小，接觸角越小，形核）晶核與基底之間的界面能越小，接觸角越小，形核 功也越小，形核時(shí)所需的過冷度越小，非均勻形核功也越小，形核時(shí)所需的過冷度越小，非均勻形核 越容易。越容易。 界面能的大小取決于晶核與基底之間的點(diǎn)陣類型和界面能的大小取決于晶核與基底之間的點(diǎn)陣類型和晶格常數(shù)的相似性。晶體結(jié)構(gòu)與原子間距差別越小，晶格常數(shù)的相似性。晶體結(jié)構(gòu)

27、與原子間距差別越小，界面能越小，這種規(guī)律稱界面能越小，這種規(guī)律稱“結(jié)構(gòu)相似、尺寸相應(yīng)結(jié)構(gòu)相似、尺寸相應(yīng)”原原理。一般，符合這種匹配條件的固態(tài)粒子稱為理。一般，符合這種匹配條件的固態(tài)粒子稱為“活性活性粒子粒子”，其可作為非均勻形核的有效基底。，其可作為非均勻形核的有效基底。4 4）凹面凹面對(duì)形核促進(jìn)效能高，對(duì)形核促進(jìn)效能高， 平面平面居中，居中，凸面凸面較小。較小。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY例題：例題：銀的非均勻形核中，已知銀的非均勻形核

28、中，已知525252/SS/4 10/,2.27 10/,1.9 10/L BLBJ cmJ cmJ cm（1 1）計(jì)算接觸角；）計(jì)算接觸角；（2 2）計(jì)算）計(jì)算GG非非/G/G均均。解：解：/S/ScosL BBL（1 1）22.3（2 2）323coscos4GG 非均0.0041GG非均貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第二節(jié)第二節(jié) 材料結(jié)晶時(shí)晶體的生長(zhǎng)材料結(jié)晶時(shí)晶體的生長(zhǎng)THE GROWTH OF CRYSTALS AS MATERIA

29、LS CRYSTALLIZING晶核長(zhǎng)大的必要條件晶核長(zhǎng)大的必要條件固固/液界面的微觀構(gòu)造液界面的微觀構(gòu)造晶體長(zhǎng)大方式晶體長(zhǎng)大方式晶體生長(zhǎng)形態(tài)晶體生長(zhǎng)形態(tài)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、晶核長(zhǎng)大的必要條件一、晶核長(zhǎng)大的必要條件晶核生長(zhǎng)晶核生長(zhǎng)：液相中的原子向晶體表面遷移的過程，：液相中的原子向晶體表面遷移的過程，即液即液/ /固界面向液相移動(dòng)的過程。固界面向液相移動(dòng)的過程。動(dòng)態(tài)過冷度動(dòng)態(tài)過冷度TTK K：晶核長(zhǎng)大所必須的界面過冷度。：晶核

30、長(zhǎng)大所必須的界面過冷度。0KmiTTT熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 晶體的生長(zhǎng)涉及到生長(zhǎng)方式（決定著晶體長(zhǎng)大速晶體的生長(zhǎng)涉及到生長(zhǎng)方式（決定著晶體長(zhǎng)大速度）和生長(zhǎng)形態(tài)（反映出凝固后晶體的性質(zhì)）。度）和生長(zhǎng)形態(tài)（反映出凝固后晶體的性質(zhì)）。 晶體生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)的方式方式和和形態(tài)形態(tài)取決于液相中的原子轉(zhuǎn)移取決于液相中的原子轉(zhuǎn)移到晶體表面的方式，它與液到晶體表面的方式，它與液- -固界面的微觀結(jié)構(gòu)和液固界面的微觀結(jié)構(gòu)和液- -

31、固界面前沿液相中的溫度分布有關(guān)。固界面前沿液相中的溫度分布有關(guān)。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二、固二、固/液界面的微觀結(jié)構(gòu)液界面的微觀結(jié)構(gòu) 從原子尺度劃分，液從原子尺度劃分，液- -固界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩種固界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩種類型：類型：光滑界面光滑界面和和粗糙界面粗糙界面。1 1）光滑界面及其特征）光滑界面及其特征光滑界面光滑界面：指固相表面為基本完整的原子密排面，固：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

32、光滑的，但是從液兩相截然分開，從微觀上看界面是光滑的，但是從宏觀上看，界面往往由不同位向的小平面（為原子密宏觀上看，界面往往由不同位向的小平面（為原子密排面）所組成，故呈鋸齒狀的折線。排面）所組成，故呈鋸齒狀的折線。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY微觀微觀宏觀宏觀 對(duì)于多數(shù)對(duì)于多數(shù)無機(jī)化合物無機(jī)化合物以及以及亞金屬亞金屬Bi、Sb、Ga、As和和半導(dǎo)體半導(dǎo)體Ge、Si等，其液等，其液-固界面為光滑界面。固界面為光滑界面。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料

33、科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY2 2）粗糙界面及其特征）粗糙界面及其特征粗糙界面粗糙界面：在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個(gè)原子：在微觀上高低不平、粗糙，存在幾個(gè)原子厚度的過渡層，但是從宏觀上看，界面反而是平直的厚度的過渡層，但是從宏觀上看，界面反而是平直的微觀微觀宏觀宏觀 對(duì)于對(duì)于金屬金屬和某些和某些低熔化熵的有機(jī)化合物低熔化熵的有機(jī)化合物，其，其液液-固界面為粗糙界面固界面為粗糙界面貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMI

34、STRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY三、晶體長(zhǎng)大方式三、晶體長(zhǎng)大方式 1. 1. 粗糙界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制粗糙界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng)粗糙界面上，約有一半的結(jié)晶位置空粗糙界面上，約有一半的結(jié)晶位置空著，故液相中的原子可以直接進(jìn)入液著，故液相中的原子可以直接進(jìn)入液固界面上空的位置，使整個(gè)界面沿其固界面上空的位置，使整個(gè)界面沿其法線方向向液相中呈平面狀推進(jìn)，晶法線方向向液相中呈平面狀推進(jìn)，晶體便連續(xù)地向液相中生長(zhǎng)，這種長(zhǎng)大體便連續(xù)地向液相中生長(zhǎng)，這種長(zhǎng)大方式叫做方式叫做垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng)或或連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng)，這樣，這樣的晶體

35、生長(zhǎng)速率很快。的晶體生長(zhǎng)速率很快。垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 光滑界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制光滑界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制二維形核生長(zhǎng)二維形核生長(zhǎng)光滑界面每向液相中長(zhǎng)大一層都光滑界面每向液相中長(zhǎng)大一層都是由一個(gè)是由一個(gè)二維晶核二維晶核（一個(gè)原子厚（一個(gè)原子厚度的晶體小片）先在界面上形成，度的晶體小片）先在界面上形成，接著這個(gè)二維晶核接著這個(gè)二維晶核側(cè)向生長(zhǎng)側(cè)向生長(zhǎng)，如，如此反復(fù)進(jìn)行，直至結(jié)晶完成，這此反復(fù)進(jìn)行，直至結(jié)晶完成，這種

36、長(zhǎng)大方式亦稱種長(zhǎng)大方式亦稱臺(tái)階式生長(zhǎng)臺(tái)階式生長(zhǎng)。由。由于形成二維晶核需要形核功，這于形成二維晶核需要形核功，這種機(jī)制的種機(jī)制的晶體長(zhǎng)大速率很慢晶體長(zhǎng)大速率很慢。二維形核生長(zhǎng)二維形核生長(zhǎng)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 光滑界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制光滑界面晶體長(zhǎng)大機(jī)制螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)螺型位錯(cuò)生長(zhǎng)液相原子可以直接添加到界面上液相原子可以直接添加到界面上由于晶體缺陷而形成的臺(tái)階上，由于晶體缺陷而形成的臺(tái)階上，從而使晶體不斷長(zhǎng)

37、大。如螺型位從而使晶體不斷長(zhǎng)大。如螺型位錯(cuò)在界面露頭就可以提供臺(tái)階。錯(cuò)在界面露頭就可以提供臺(tái)階。而當(dāng)一個(gè)面上的臺(tái)階被原子填滿后，而當(dāng)一個(gè)面上的臺(tái)階被原子填滿后，又出現(xiàn)螺旋型臺(tái)階，這樣就又出現(xiàn)螺旋型臺(tái)階，這樣就使晶體表面呈現(xiàn)由螺型臺(tái)階形成使晶體表面呈現(xiàn)由螺型臺(tái)階形成的卷線。的卷線。由于界面上臺(tái)階數(shù)量有限，由于界面上臺(tái)階數(shù)量有限，這種機(jī)制下晶體生長(zhǎng)速率也這種機(jī)制下晶體生長(zhǎng)速率也很小。很小。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY銀從其蒸氣長(zhǎng)大時(shí)觀察到的沿

38、螺型位錯(cuò)露頭呈現(xiàn)的卷線銀從其蒸氣長(zhǎng)大時(shí)觀察到的沿螺型位錯(cuò)露頭呈現(xiàn)的卷線貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY晶核長(zhǎng)大速率晶核長(zhǎng)大速率實(shí)驗(yàn)表明：微觀粗糙界面實(shí)驗(yàn)表明：微觀粗糙界面TTK K=0.01-0.05K=0.01-0.05K 微觀光滑界面微觀光滑界面TTK K=1-2K=1-2K貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL

39、UNIVERSITY四、晶體生長(zhǎng)形態(tài)四、晶體生長(zhǎng)形態(tài)固固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)液界面的微觀結(jié)構(gòu)界面前沿液相中的溫度梯度界面前沿液相中的溫度梯度dTdx貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY正溫度梯度正溫度梯度0dTdx負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度0dTdx隨著離開液隨著離開液-固界面的距離固界面的距離x增大，液相溫度增大，液相溫度T升高升高隨著離開液隨著離開液-固界面的距離固界面的距離x增大，液相溫度增大，液相溫度T降低降低正溫度梯度示意圖正溫度梯度示意圖負(fù)溫

40、度梯度示意圖負(fù)溫度梯度示意圖貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY1 1）正溫度梯度）正溫度梯度在正溫度梯度下，界面處的結(jié)晶潛熱只能通過固相傳在正溫度梯度下，界面處的結(jié)晶潛熱只能通過固相傳導(dǎo)出去，故界面的推進(jìn)速度受到固相傳熱速度的控制導(dǎo)出去，故界面的推進(jìn)速度受到固相傳熱速度的控制對(duì)于光滑界面：對(duì)于光滑界面： 生長(zhǎng)形態(tài)呈生長(zhǎng)形態(tài)呈臺(tái)階狀臺(tái)階狀對(duì)于粗糙界面：對(duì)于粗糙界面： 生長(zhǎng)形態(tài)呈生長(zhǎng)形態(tài)呈平面狀平面狀貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院

41、SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY由于界面處的液體具有最大的過冷度，當(dāng)界面上偶爾由于界面處的液體具有最大的過冷度，當(dāng)界面上偶爾發(fā)生晶體凸起，就會(huì)進(jìn)入溫度較高的液體中，晶體生發(fā)生晶體凸起，就會(huì)進(jìn)入溫度較高的液體中，晶體生長(zhǎng)速度立即減慢甚至停止。長(zhǎng)速度立即減慢甚至停止。在正溫度梯度下晶體生長(zhǎng)還是近似地表現(xiàn)為在正溫度梯度下晶體生長(zhǎng)還是近似地表現(xiàn)為平面推進(jìn)平面推進(jìn)式式，露出的晶面是低指數(shù)的密排面。，露出的晶面是低指數(shù)的密排面。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHE

42、MISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY2 2）負(fù)溫度梯度）負(fù)溫度梯度在負(fù)溫度梯度下，界面處的結(jié)晶潛熱既可通過固相也在負(fù)溫度梯度下，界面處的結(jié)晶潛熱既可通過固相也可通過液相傳導(dǎo)，液固界面的推進(jìn)速度不只是由固相可通過液相傳導(dǎo)，液固界面的推進(jìn)速度不只是由固相的傳熱速度的所控制。的傳熱速度的所控制。在負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體具有更大的過冷在負(fù)的溫度梯度下，界面前方的液體具有更大的過冷度，因此，當(dāng)界面某處固相偶然伸入液相，便能夠以度，因此，當(dāng)界面某處固相偶然伸入液相，便能夠以更大的速率生長(zhǎng)。更大的速率生長(zhǎng)。形成許多伸向液體的

43、分支，沿著一定的晶向軸形成許多伸向液體的分支，沿著一定的晶向軸光滑界面：一般不會(huì)形成枝晶，仍然以平面生長(zhǎng)光滑界面：一般不會(huì)形成枝晶，仍然以平面生長(zhǎng)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY粗糙界面：伸入液相的晶體形成一個(gè)晶軸粗糙界面：伸入液相的晶體形成一個(gè)晶軸一次晶軸一次晶軸結(jié)晶潛熱，使一次晶軸結(jié)晶潛熱，使一次晶軸側(cè)面又產(chǎn)生負(fù)溫度梯度側(cè)面又產(chǎn)生負(fù)溫度梯度二次晶軸二次晶軸三次晶軸三次晶軸樹枝狀生長(zhǎng)樹枝狀生長(zhǎng) 每個(gè)枝晶成為一個(gè)晶粒每個(gè)枝晶成為一個(gè)晶粒貴州師

44、范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY樹枝狀長(zhǎng)大的實(shí)際觀察樹枝狀長(zhǎng)大的實(shí)際觀察貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第三節(jié)第

45、三節(jié) 固溶體合金的凝固固溶體合金的凝固THE SOLIDIFICATION OF SOLID SOLUTION固溶體的平衡凝固固溶體的平衡凝固固溶體的不平衡凝固固溶體的不平衡凝固成分過冷及其影響成分過冷及其影響貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY固溶體結(jié)晶的特點(diǎn)固溶體結(jié)晶的特點(diǎn)（1 1）結(jié)晶過程由）結(jié)晶過程由形核形核與與長(zhǎng)大長(zhǎng)大組成。組成。（2 2）結(jié)晶在一定溫度范圍進(jìn)行，在此溫度范圍的每一）結(jié)晶在一定溫度范圍進(jìn)行，在此溫度范圍的每一溫度下，只能

46、凝固出一定數(shù)量的固相，溫度降低，固溫度下，只能凝固出一定數(shù)量的固相，溫度降低，固相的量降低。相的量降低。（3 3）結(jié)晶過程，液、固兩相的成分始終在不斷變化，）結(jié)晶過程，液、固兩相的成分始終在不斷變化，液液/ /固界面處成分始終保持固界面處成分始終保持局部平衡局部平衡。（4 4）平衡結(jié)晶時(shí)：）平衡結(jié)晶時(shí)： 液、固兩相的成分分別沿著液、固兩相的成分分別沿著液相線和固相線變化液相線和固相線變化 結(jié)晶結(jié)束獲得結(jié)晶結(jié)束獲得均勻均勻的單相多晶固溶體的單相多晶固溶體貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZ

47、HOU NORMAL UNIVERSITY（5 5）非平衡結(jié)晶時(shí)：）非平衡結(jié)晶時(shí)： 已結(jié)晶的固相和剩余液相的平均成分分別沿著液已結(jié)晶的固相和剩余液相的平均成分分別沿著液相和固相的相和固相的平均成分線平均成分線變化。變化。 結(jié)晶結(jié)束時(shí)獲得結(jié)晶結(jié)束時(shí)獲得不均勻不均勻的單相多晶固溶體。的單相多晶固溶體。 先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元多，后結(jié)晶部分含低熔先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元多，后結(jié)晶部分含低熔點(diǎn)組元多，這種成分不均勻的現(xiàn)象稱為點(diǎn)組元多，這種成分不均勻的現(xiàn)象稱為成分偏析成分偏析。 在一個(gè)晶粒內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱為在一個(gè)晶粒內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱為微觀偏析微觀偏析或或晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析。 在鑄件內(nèi)不同區(qū)域成分不均

48、勻的現(xiàn)象稱為在鑄件內(nèi)不同區(qū)域成分不均勻的現(xiàn)象稱為宏觀偏宏觀偏析析或或區(qū)域偏析區(qū)域偏析。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY固溶體凝固方式的分類固溶體凝固方式的分類貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、固溶體的平衡凝固一、固溶體的平衡凝固 1. 1. 平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)k k0 0 合金凝固時(shí)

49、，要發(fā)生溶質(zhì)的重新分布，重新分布合金凝固時(shí)，要發(fā)生溶質(zhì)的重新分布，重新分布的程度用平衡分配系數(shù)的程度用平衡分配系數(shù)k k0 0表示。表示。平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)k k0 0：處于固：處于固/ /液兩相平衡的固相中的溶質(zhì)液兩相平衡的固相中的溶質(zhì)原子濃度原子濃度C CS S與液相中溶質(zhì)原子濃度與液相中溶質(zhì)原子濃度C CL L之比。之比。0SLCkC貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY假設(shè)相圖中液、固相線均為直線，假設(shè)相圖中液、固相線均為直線，k k

50、0 0為常數(shù)為常數(shù)隨溶質(zhì)含量增加，合金凝固隨溶質(zhì)含量增加，合金凝固的開始溫度和終了溫度的開始溫度和終了溫度降低降低隨溶質(zhì)含量增加，合金凝固隨溶質(zhì)含量增加，合金凝固的開始溫度和終了溫度的開始溫度和終了溫度升高升高k k0 01，表示合金凝固時(shí)重新分布的溶質(zhì)成分與原合金成分越，表示合金凝固時(shí)重新分布的溶質(zhì)成分與原合金成分越接近，即重新分布的程度越小接近，即重新分布的程度越小貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 平衡凝固的特征平衡凝固的特征

51、（）凝固過程中的冷卻速度非常緩慢）凝固過程中的冷卻速度非常緩慢（）凝固開始溫度低于但趨近于熔點(diǎn)，即過冷度趨）凝固開始溫度低于但趨近于熔點(diǎn)，即過冷度趨 近于零近于零貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY（）溶質(zhì)原子擴(kuò)散得以充分進(jìn)行，液相和固相中溶）溶質(zhì)原子擴(kuò)散得以充分進(jìn)行，液相和固相中溶 質(zhì)原子都均勻分布質(zhì)原子都均勻分布（）隨溫度降低，液相和固相的溶質(zhì)原子濃度整體）隨溫度降低，液相和固相的溶質(zhì)原子濃度整體 分別沿著相圖中的液相線和固相線相應(yīng)變化，分別

52、沿著相圖中的液相線和固相線相應(yīng)變化， 即總是滿足平衡分配系數(shù)即總是滿足平衡分配系數(shù)（）凝固終了溫度低于但趨近于固相線）凝固終了溫度低于但趨近于固相線（）凝固后所得固溶體中處處成分均勻，皆等于固）凝固后所得固溶體中處處成分均勻，皆等于固 溶體的平均成分，既無微觀偏析，也無宏觀偏溶體的平均成分，既無微觀偏析，也無宏觀偏 析析貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY二、固溶體的不平衡凝固二、固溶體的不平衡凝固 實(shí)際凝固過程：實(shí)際上溶質(zhì)不可能達(dá)到完全均勻?qū)嶋H

53、凝固過程：實(shí)際上溶質(zhì)不可能達(dá)到完全均勻的，由于固相擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，的，由于固相擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，一般不考慮固相內(nèi)部的原子擴(kuò)散，僅討論液相中的溶一般不考慮固相內(nèi)部的原子擴(kuò)散，僅討論液相中的溶質(zhì)原子混合均勻程度的問題質(zhì)原子混合均勻程度的問題三種情況三種情況固相無擴(kuò)散，液相完全混合固相無擴(kuò)散，液相完全混合固相無擴(kuò)散，液相部分混合固相無擴(kuò)散，液相部分混合固相無擴(kuò)散，液相完全不混合固相無擴(kuò)散，液相完全不混合貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL

54、UNIVERSITY 1. 1. 固相無擴(kuò)散，液相完全混合（正常凝固）固相無擴(kuò)散，液相完全混合（正常凝固）1 1）正常凝固方程）正常凝固方程0010010( )1( )1kSkLZCZC kLZCZCL2 2）討論）討論（）對(duì)）對(duì)k k0 0111方程式都成立方程式都成立（）當(dāng)）當(dāng)Z Z接近接近L L時(shí)，公式無意義時(shí)，公式無意義（）凝固結(jié)束后，合金棒兩端濃度差異十分顯著）凝固結(jié)束后，合金棒兩端濃度差異十分顯著貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY2

55、. 2. 固相無擴(kuò)散，液相部分混合（非正常凝固）固相無擴(kuò)散，液相部分混合（非正常凝固）3. 3. 固相無擴(kuò)散，液相完全不混合（非正常凝固）固相無擴(kuò)散，液相完全不混合（非正常凝固）貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY三、成分過冷及其影響三、成分過冷及其影響 1. 1. 成分過冷成分過冷 固溶體不平衡凝固時(shí)，溶質(zhì)原子富集在固固溶體不平衡凝固時(shí)，溶質(zhì)原子富集在固/ /液界面液界面前沿，使液體中的實(shí)際溫度低于理論凝固溫度，從而前沿，使液體中的實(shí)際溫度低于

56、理論凝固溫度，從而使液體處于過冷狀態(tài)，這種過冷稱為使液體處于過冷狀態(tài)，這種過冷稱為成分過冷成分過冷。 能否產(chǎn)生成分過冷及程度取決于液能否產(chǎn)生成分過冷及程度取決于液- -固界面前沿液固界面前沿液體中溶質(zhì)濃度分布和實(shí)際溫度分布。體中溶質(zhì)濃度分布和實(shí)際溫度分布。 成分過冷區(qū)別于熱過冷，熱過冷是純金屬凝固時(shí)，成分過冷區(qū)別于熱過冷，熱過冷是純金屬凝固時(shí)，凝固的實(shí)際溫度低于理論熔點(diǎn)凝固的實(shí)際溫度低于理論熔點(diǎn)T Tm m所引起的過冷；成分過所引起的過冷；成分過冷是合金凝固有別于純金屬凝固的主要特征。冷是合金凝固有別于純金屬凝固的主要特征。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF C

57、HEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 2. 2. 成分過冷對(duì)固溶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響成分過冷對(duì)固溶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響 當(dāng)液當(dāng)液- -固界面前沿存在成分過冷時(shí)，即便是小的成固界面前沿存在成分過冷時(shí)，即便是小的成分過冷區(qū)，也會(huì)破壞晶體的平面生長(zhǎng)，使界面形成胞分過冷區(qū)，也會(huì)破壞晶體的平面生長(zhǎng)，使界面形成胞狀組織；如果存在大的成分過冷，就會(huì)長(zhǎng)成樹枝狀組狀組織；如果存在大的成分過冷，就會(huì)長(zhǎng)成樹枝狀組織。織。 成分過冷可使合金在正的溫度梯度下凝固得到樹成分過冷可使合金在正的溫度梯度下凝固得到樹枝狀組織，而在純金屬凝固中，要得到樹枝狀

58、組織，枝狀組織，而在純金屬凝固中，要得到樹枝狀組織，必須是在負(fù)的溫度梯度下。必須是在負(fù)的溫度梯度下。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY 3. 3. 成分過冷對(duì)合金鑄造性能的影響成分過冷對(duì)合金鑄造性能的影響成分過冷大，則鑄造性能差成分過冷大，則鑄造性能差成分過冷無

59、或小，則鑄造性能好成分過冷無或小，則鑄造性能好合金的成分過冷傾向取決于與合金的結(jié)晶溫度間隔合金的成分過冷傾向取決于與合金的結(jié)晶溫度間隔（合金在相圖中液固相線間的垂直距離），垂直距離（合金在相圖中液固相線間的垂直距離），垂直距離越小，成分過冷傾向越小。越小，成分過冷傾向越小。貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY第四節(jié)第四節(jié) 共晶合金的凝固共晶合金的凝固THE SOLIDIFICATION OF EUTECTIC ALLOYS共晶體的形態(tài)共晶體的形態(tài)

60、共晶體的形核及長(zhǎng)大共晶體的形核及長(zhǎng)大先共晶相的形態(tài)先共晶相的形態(tài)貴州師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY一、共晶體的形態(tài)一、共晶體的形態(tài)兩相共晶體的形態(tài)與兩個(gè)相的屬性：金屬（金屬間化兩相共晶體的形態(tài)與兩個(gè)相的屬性：金屬（金屬間化合物）型、非金屬（亞金屬、非金屬化合物型）有關(guān)合物）型、非金屬（亞金屬、非金屬化合物型）有關(guān)金屬型金屬型- -金屬型金屬型（規(guī)則型共晶體）（規(guī)則型共晶體）層片狀層片狀棒棒 狀狀螺旋狀螺旋狀金屬型金屬型- -非金屬型非金屬型（不