第三章凝固-課件1

熔化2020/10/281第三章凝固煉鋼澆注煉銅2020/10/282精品資料第三章凝固凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。2020/10/284第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律1液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：長程無序而短程有序。特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。2020/10/285第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律2過冷現(xiàn)象supercooling

（1）過冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（2）過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實(shí)際溫度之差?！鱐=Tm-T(見冷卻曲線)注:過冷是凝固的必要條件(凝固過程總是在一定的過冷度下進(jìn)行)。

2020/10/286第一節(jié)材料結(jié)晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結(jié)晶規(guī)律3結(jié)晶過程（1）結(jié)晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）（2）描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù)形核率：單位時(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離。用G表示。2020/10/287第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1熱力學(xué)條件（1）G-T曲線a是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。

dG/dT=-Sb是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。

d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲線斜率大于固相：由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。2020/10/288第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1熱力學(xué)條件（2）熱力學(xué)條件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－過冷是結(jié)晶的必要條件（之一）。b△T越大,△Gv越?。^冷度越大，越有利于結(jié)晶。c△Gv的絕對值為凝固過程的驅(qū)動力。2020/10/289第二節(jié)

材料結(jié)晶的基本條件

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2結(jié)構(gòu)條件（1）液態(tài)結(jié)構(gòu)模型

微晶無序模型

拓?fù)錈o序模型

（2）結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。出現(xiàn)幾率結(jié)構(gòu)起伏大小2020/10/2810第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個(gè)體積內(nèi)無軌則均勻形成。非均勻形核：新相晶核依附于其它物質(zhì)擇優(yōu)形成。1均勻形核

（1）晶胚形成時(shí)的能量變化

△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/10/2811第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核(2)臨界晶核d△G/dr=0rk=-2σ/△Gv臨界晶核：半徑為rk的晶胚。(3)

臨界過冷度rk=-2σTm/Lm△T臨界過冷度：形成臨界晶核時(shí)的過冷度?！鱐k.△T≥△Tk是結(jié)晶的必要條件。2020/10/2812第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

（4）形核功與能量起伏△Gk＝Skσ/3臨界形核功：形成臨界晶核時(shí)需額外對形核所做的功。能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。2020/10/2813第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件1均勻形核

（5）形核率與過冷度的關(guān)系 N=N1(?GK).N2(?

GA) 由于N受N1(形核）.N2（擴(kuò)散）兩個(gè)因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。2020/10/2814第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核（1）模型：外來物質(zhì)為一平面，固相晶胚為一球冠。（2）自由能變化：表達(dá)式與均勻形核類似。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/10/2815第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核（3）臨界形核功計(jì)算時(shí)利用球冠體積、表面積表達(dá)式，結(jié)合平衡關(guān)系

σlw=σsw+σslcosθ計(jì)算能量變化和臨界形核功?！鱃k非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4aθ=0時(shí)，△Gk非＝0，雜質(zhì)本身即為晶核；b180>θ>0時(shí),△Gk非<△Gk,雜質(zhì)促進(jìn)形核；cθ=180時(shí)，△Gk非＝△Gk，雜質(zhì)不起作用。2020/10/2816第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結(jié)晶條件2非均勻形核

（4）影響非均勻形核的因素a過冷度：（N-△T曲線有一下降過程）。b外來物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)：θ越小越有利。點(diǎn)陣匹配原理：結(jié)構(gòu)相似，點(diǎn)陣常數(shù)相近。c外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）2h2020/10/2817第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大1晶核長大的條件（1）動態(tài)過冷動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度。（是材料凝固的必要條件）（2）足夠的溫度（3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu)2020/10/2818第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大2液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制

粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的界面）：垂直長大。

光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙－無機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。2020/10/2819第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大2液固界面微結(jié)構(gòu)與晶體長大機(jī)制粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的界面）：

垂直長大。光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙－無機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：橫向長大：二維晶核長大、依靠缺陷長大。2020/10/2820第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高）粗糙界面：平面狀。光滑界面：臺階狀（小平面狀）。2020/10/2821第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（1）正溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高）

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/10/2822第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低）粗糙界面：樹枝狀。光滑界面：樹枝狀－多面體—臺階狀。2020/10/2823第四節(jié)

晶核的長大

第三章第四節(jié)晶核長大3液體中溫度梯度與晶體的長大形態(tài)（2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低）

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/10/2824第五節(jié)高分子材料的結(jié)晶

第三章第五節(jié)高分子結(jié)晶特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢一與低分子結(jié)晶的相似性1結(jié)晶速度和晶粒尺寸受過冷度的影響隨過冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸減小。2結(jié)晶過程：形核與長大均勻形核：高分子鏈靠熱運(yùn)動組成有序排列形成晶核。非均勻形核：以殘余結(jié)晶高分子、分散顆粒、容器壁為中心形核。3非均勻形核所需過冷度小。2020/10/2825第五節(jié)高分子材料的結(jié)晶

第三章第五節(jié)高分子結(jié)晶特點(diǎn)：結(jié)晶不完全性、不完善性、結(jié)晶速度慢二與低分子結(jié)晶的差異性結(jié)晶的不完全性。一般50%，最高約95%。（1）鏈的對稱性。對稱性越高，越容易結(jié)晶。（2）鏈的規(guī)整性。規(guī)則的構(gòu)型，有利于結(jié)晶，有利于共聚結(jié)晶。（3）鏈的柔順性。柔順性越好，結(jié)晶能力越強(qiáng)。（4）共聚效應(yīng)。2020/10/2826第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用

第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用1材料鑄態(tài)晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4（1）提高過冷度。降低澆鑄溫度，提高散熱導(dǎo)熱能力，適用于小件。（2）化學(xué)變質(zhì)處理。促進(jìn)異質(zhì)形核，阻礙晶粒長大。（3）振動和攪拌。輸入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。2020/10/2827第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用

第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用2單晶體的制備（1）基本原理：保證一個(gè)晶核形成并長大。（2）制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2020/10/2828第六節(jié)凝固理論的應(yīng)用

第三章第六節(jié)凝固的應(yīng)用3定向凝固技術(shù)（1）原理：單一方向散熱獲得柱狀晶。（2