材料科学基础
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§3.6.2 单晶体的制备
• 单晶体：只有一个晶 粒构成的晶体。 • 制备原理：提高纯度、 减慢结晶速度，保证 一个晶核形成并长大。 • 制备方法：尖端成核 法、垂直提拉法。
(3)
第 六 节 凝Leabharlann Baidu固 理 论 的 应 用
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• 晶粒大小对性能的影响：晶粒越细，强度、硬度塑性、 韧性越高。 • 晶粒度控制方法：控制形核率N、长大速度Vg 单位体积中晶粒数： 单位面积中晶粒数：
N Z v 0.9 V g
3/ 4
N Z s 1.1 V g
1/ 2
增加过冷度，提高N/Vg，细化晶粒。 添加形核剂，提高形核率N，细化晶粒。 振动、搅拌，细化晶粒。
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作
业
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习题：1，2 补充：设想液体在凝固时形成的临界晶核是边长为a的立 方体形状，(1)已知液-固界面能σL/S和固、液之间单位 体积自由能差△GB，推导出均匀形核时临界晶核边长 a*和临界形核功△G*。(2)如果为非均匀形核，立方体 晶胚的一面与杂质表面接触，设液体与杂质的界面能 为σL/M ，晶胚与杂质的界面能为σS/M ，推导出临界晶核 边长和临界形核功。
二维晶核台阶机制
应用：
晶体缺陷台阶机制 形态 平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主 树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面 参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关
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第三章 总结
(8)
晶核的 形成
金属 结晶 理论 晶核的 长大
热力学条件：过冷度 临界过冷度 条件 结构条件：结构起伏（相起伏） 临界晶核 能量条件：能量起伏 临界形核功
均匀形核：形核率受过冷度影响 方式 非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响 参数：形核率 条件：动态过冷度 垂直长大：粗糙界面 机制 横向长大：光滑界面
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§3.6.1 铸态晶粒的控制
(1)
第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
• 晶粒度：用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的 平均面积或平均直径表示。 • 钢的标准晶粒度：分为8级。一级最粗，八级最细。
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§3.6.1 铸态晶粒的控制
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第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
§3.6.3 定向凝固技术
• 定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另 一端结晶。 • 制备方法：快速逐步凝固法
(4)
第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
关键是创造单向散 热的冷却条件。
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§3.6.4 非晶态金属
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第 • 非晶态金属（金属玻璃）：快速冷却使金属保留液态 时的原子排列。 强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强 六 节 • 形成条件：快冷至Tg温度（玻璃化温度）以下。 凝 固 理 论 的 应 用
△Tg=Tm-Tg 越小，越易获得非晶态。
在熔点到结晶温度区间加快冷却速度（超过106K/S)。
• 制备方法：离心急冷法、轧制急冷法
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§3.6.5 微晶合金
(6)
第 六 节 • 微晶合金（纳晶合金）：晶粒尺寸达微米(μm)或纳
米(nm)级的超细晶粒合金。 凝 固 • 制备方法：急冷凝固技术 理 • 特点：高强度、高硬度、良好韧性，高耐磨性、耐 论 蚀性，抗辐射稳定性。 的 应 用
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§3.6.2 单晶体的制备
• 单晶体：只有一个晶 粒构成的晶体。 • 制备原理：提高纯度、 减慢结晶速度，保证 一个晶核形成并长大。 • 制备方法：尖端成核 法、垂直提拉法。
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第 六 节 凝Leabharlann Baidu固 理 论 的 应 用
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• 晶粒大小对性能的影响：晶粒越细，强度、硬度塑性、 韧性越高。 • 晶粒度控制方法：控制形核率N、长大速度Vg 单位体积中晶粒数： 单位面积中晶粒数：
N Z v 0.9 V g
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N Z s 1.1 V g
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增加过冷度，提高N/Vg，细化晶粒。 添加形核剂，提高形核率N，细化晶粒。 振动、搅拌，细化晶粒。
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作
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习题：1，2 补充：设想液体在凝固时形成的临界晶核是边长为a的立 方体形状，(1)已知液-固界面能σL/S和固、液之间单位 体积自由能差△GB，推导出均匀形核时临界晶核边长 a*和临界形核功△G*。(2)如果为非均匀形核，立方体 晶胚的一面与杂质表面接触，设液体与杂质的界面能 为σL/M ，晶胚与杂质的界面能为σS/M ，推导出临界晶核 边长和临界形核功。
二维晶核台阶机制
应用：
晶体缺陷台阶机制 形态 平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主 树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面 参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关
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第三章 总结
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晶核的 形成
金属 结晶 理论 晶核的 长大
热力学条件：过冷度 临界过冷度 条件 结构条件：结构起伏（相起伏） 临界晶核 能量条件：能量起伏 临界形核功
均匀形核：形核率受过冷度影响 方式 非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响 参数：形核率 条件：动态过冷度 垂直长大：粗糙界面 机制 横向长大：光滑界面
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§3.6.1 铸态晶粒的控制
(1)
第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
• 晶粒度：用于表示晶粒大小的一个概念。用晶粒的 平均面积或平均直径表示。 • 钢的标准晶粒度：分为8级。一级最粗，八级最细。
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§3.6.1 铸态晶粒的控制
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第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
§3.6.3 定向凝固技术
• 定向凝固：铸件按一定方向由一端开始，逐步向另 一端结晶。 • 制备方法：快速逐步凝固法
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第 六 节 凝 固 理 论 的 应 用
关键是创造单向散 热的冷却条件。
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§3.6.4 非晶态金属
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第 • 非晶态金属（金属玻璃）：快速冷却使金属保留液态 时的原子排列。 强度高，韧性大，耐腐蚀，导磁性强 六 节 • 形成条件：快冷至Tg温度（玻璃化温度）以下。 凝 固 理 论 的 应 用
△Tg=Tm-Tg 越小，越易获得非晶态。
在熔点到结晶温度区间加快冷却速度（超过106K/S)。
• 制备方法：离心急冷法、轧制急冷法
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§3.6.5 微晶合金
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第 六 节 • 微晶合金（纳晶合金）：晶粒尺寸达微米(μm)或纳
米(nm)级的超细晶粒合金。 凝 固 • 制备方法：急冷凝固技术 理 • 特点：高强度、高硬度、良好韧性，高耐磨性、耐 论 蚀性，抗辐射稳定性。 的 应 用