2.1.2.3 形核與形核率(3)形核控制

研究形核規(guī)律是為了控制形核。對凝固過程的形核進行有效控制可以實現(xiàn)對凝固組織的控制。形核過程的控制包括促進形核、抑制形核和選擇形核三個不同方面1）促進形核在普通鑄件和鑄錠的凝固中人們通常希望獲得細小的等軸晶組織以提高力學性能。為此，常常采用各種特殊措施促進形核，提高形核速率。4形核控制目錄

2/16/20241常見控制形核方法增大冷卻速率，在大的過冷度下形核；利用澆注過程的液流沖擊造成型壁上形成的晶粒脫落；采用機械振動、電磁攪拌、超聲振動等措施使已經(jīng)形成的樹枝狀晶粒破碎，獲得大量的結晶核心，最終形成細小的等軸晶組織。添加晶粒細化劑，促進異質形核；形核劑在液態(tài)金屬中加入形核劑以促進非均勻形核。從而達到細化晶粒、改善性能的目的。促進非均勻形核的襯底物質可以是形核劑本身，也可以是它與液態(tài)金屬的反應產(chǎn)物。目錄

2/16/20242關鍵問題:如何選擇合適的形核劑。由非均勻形核理論可知，一種好的形核劑首先應能保證結晶相在襯底物質上形成盡可能小的潤濕角θ；其次形核劑還應在液態(tài)金屬中盡可能保持穩(wěn)定，并且具有最大的表面積和最佳的表面特性

(如表面粗糙或有凹坑等)。目錄

2/16/20243潤濕角θ是由結晶相、液相和固相之間的界面能所確定若不考慮溫度的影響，對給定金屬而言，σLC是一定值；在一般情況下，σLS與σLC的值也相近，故潤濕角θ主要取決于σCS的大小。σCS越小，襯底的非均勻形核能力就越強。σCS何時小？目錄

2/16/20244界面共格對應界面共格對應理論認為，在非均勻形核過程中，襯底晶面總是力圖與結晶相的某一最合適的晶面相結合，以便組成一個σCS最低的界面。因此界面兩側原子之間必然要呈現(xiàn)出某種規(guī)律性的聯(lián)系，這種規(guī)律性的聯(lián)系稱為界面共格對應。界面共格對應條件：只有當襯底物質的某一個晶面與結晶相的某一個晶面上的原子排列方式相似，而其原子間距相近或在一定范圍內(nèi)成比例時，才能實現(xiàn)界面共格對應。目錄

2/16/20245點陣畸變，可用點陣錯配度δ來衡量

當δ≤0.05時，通過點陣畸變過渡可以實現(xiàn)界面兩側原子之間的一一對應。這種界面稱完全共格界面，其界面能σCS較低，襯底促進非均勻形核的能力很強。當0.05<δ<0.25時，通過點陣畸變過渡和位錯網(wǎng)絡調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)界面兩側原子之間的部分共格對應，這種界面稱部分共格界面。目錄

2/16/20246部分共格界面，其界面能稍高，襯底具有一定的促進非均勻形核的能力。但隨δ的增大，襯底的促進形核作用逐漸減弱，直至完全失去作用。研究表明，在δ值較小情況下，非均勻形核臨界過冷度與δ之間的關系為：目錄

2/16/20247界面共格對應理論實驗驗證鎂和α-鋯同為密排六方晶格，鎂的晶格常數(shù)a=0.3209nm，c=0.5210nm；α鋯晶格常數(shù)，a=0.3210nm，c=0.5133nm，鋯的熔點(1852℃)遠高于鎂(650℃)，因此鋯是鎂的非常有效的形核劑。溶有微量鋯的鎂合金在冷卻過程中通過包晶反應析出高彌散度的α-鋯，可以直接作為鎂的晶核，從而顯著地細化晶粒。目錄

2/16/20248鈦和銅晶格結構不同，但鈦的密排六方晶格(a=0.29506nm，c=0.4678nm)的{0001}面和銅的面心立方晶格(a=0.3615nm)的{111}面具有相似的原子排列方式，其原子間距也相近，因此鈦也是銅合金的有效形核劑。

目錄

2/16/20249該理論的局限性

①由于點陣錯配而引起的晶格畸變是共格型界面能的主要來源，但決非惟一來源。②近代研究表明，物質表面具有一個偏離內(nèi)部正常結構的過渡層。

③影響非均勻形核的其他因素，如σLS與σLC的大小、形核劑的穩(wěn)定性以及表面的幾何形狀和粗糙度等可能有時起著更大的作用。到目前為止，工業(yè)上的有效形核劑都是通過試驗獲得的例：納米晶粒細化劑，效益目錄

2/16/2024102）抑制形核為了獲得單晶，或實現(xiàn)大過冷度下的凝固，或使形核過程完全被抑制而得到非晶態(tài)材料，需要抑制晶核的形成。由于形核伴隨著原子的遷移，是在一定的時間內(nèi)完成的，因而快速冷卻是抑制形核的途徑之一。但冷卻速率必須足夠大，否則液態(tài)合金反而獲得較大的過冷度，使形核速率增大。(I)抑止非均勻形核，方法？去除液相中的固相質點是抑制異質形核的主要途徑，常用的方法是循環(huán)過熱法和熔融玻璃凈化法。坩堝表面可能成為異質形核的基底，采用懸浮熔煉或熔融玻璃隔離是抑制形核的有效措施。目錄

2/16/2024113）選擇形核當合金液在遠離熱力學平衡的大過冷度下凝固時，某些在