西工大材料科學基礎課件-凝固

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第三章

凝固熔化2

第三章

凝固

煉鋼澆注煉銅4h3

第三章

凝固凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結晶。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。

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第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結晶規(guī)律1.結晶過程（微觀現(xiàn)象）（1）結晶的基本過程：形核－長大。（見示意圖）（2）描述結晶進程的兩個參數(shù)形核率：單位時間、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間內(nèi)遷移的距離。用G表示。5

第三章第一節(jié)結晶規(guī)律2.（純金屬）結晶的宏觀現(xiàn)象（1）過冷supercooling液態(tài)材料在理論結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晶溫度(Tm)與其實際溫度之差。

△T=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行)。

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第二節(jié)

材料結晶的基本條件

第三章第二節(jié)結晶條件1熱力學條件（1）G-T曲線（圖3－4）a是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導數(shù)（負）確定。b是上凸曲線：由二次導數(shù)（負）確定。c液相曲線斜率大于固相：

由一次導數(shù)大小確定。

二曲線相交于一點，即材料的熔點。7

第二節(jié)

材料結晶的基本條件

1熱力學條件（2）熱力學條件

a△T>0,△GB<0過冷是結晶的必要

條件（之一）。b△T越大,△GB越小過冷度越大，越有利于結晶。c△GB的絕對值為凝固過程的驅(qū)動力。8

第一節(jié)材料結晶的基本規(guī)律第三章第一節(jié)結晶規(guī)律2.結晶的結構條件（晶核從何而來？）（1）液態(tài)材料的結構：長程無序而短程有序。（2）特點（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。9

第二節(jié)

材料結晶的基本條件

第三章第二節(jié)結晶條件2結構條件（3）液態(tài)結構模型

微晶無序模型（圖3-5a）

拓撲無序模型

（圖3-5b,c）

（4）結構起伏（相起伏）液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團的時隱時現(xiàn)現(xiàn)象。是結晶的必要條件（之二）。出現(xiàn)幾率結構起伏大小結構起伏的大小與溫度有關！（圖3-7）10

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件均勻形核：新相晶核在遍及母相的整個體積內(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）晶胚形成時的能量變化

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第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核

〔2〕臨界晶核臨界晶核：半徑為rk的晶胚。

（3〕

臨界過冷度

臨界過冷度：形成臨界晶核時的過冷度。

△T≥△Tk是結晶的必要條件。12

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核

（4）形核功與能量起伏臨界形核功：形成臨界晶核時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。（是結晶的必要條件之三）。

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第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件1均勻形核

（5）形核率與過冷度的關系

由于N受N1、N2兩個因素控制，形核率與過冷度之間是呈拋物線的關系。2h14

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件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：表達式與均勻形核類似。15

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件2非均勻形核

（3）臨界形核功

計算時利用球冠體積、表面積表達式，結合表面張力之間的平衡關系計算能量變化和臨界形核功。

aθ=0時，，雜質(zhì)本身即為晶核；b180>θ>0時,,雜質(zhì)促進形核；cθ=180時，，

雜質(zhì)不起作用。16

第三節(jié)

晶核的形成

第三章第二節(jié)結晶條件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）。（圖3－16）b外來物質(zhì)表面結構：θ越小越有利。點陣匹配原理：結構相似，

點陣常數(shù)相近。c外來物質(zhì)表面形貌：表面下凹有利。（圖3－17）17