最新第三讲固溶体及液态金属凝固PPT课件
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《金属的凝固特点》课件
。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
熔化和凝固ppt课件
生物学实验
在生物学实验中，细胞和组织的培养需要特定的温度条件来维持其生 命活动，熔化和凝固在此过程中起到调节温度的作用。
05
熔化和凝固的特性与规律
熔化的特性与规律
01
02
03
熔化定义
物质从固态到液态的相变 过程，需要吸收热量。
熔化规律
熔化过程中，物质的温度 保持不变，直到熔化完成 。
熔化特点
熔化过程中，物质由固态 变为液态，物质状态发生 变化。
食品保存
在食品保存过程中，通过特定的凝 固或熔化操作，可以延长食品的保 质期，如酸奶、奶酪等。
在科学实验中的应用
化学实验
在化学实验中，常常需要将化学物质加热至熔化或冷却至凝固来进 行反应和分离操作。熔化和凝固是化学实验中的重要步骤。
物理实验
在物理实验中，熔化和凝固常被用于研究物质的热性质和相变特性 ，如热传导、相变潜热等。
中起到至关重要的作用。
玻璃制造
玻璃制造过程中，需要将沙子熔 化成液体，再经过冷却和固化， 形成各种形状和用途的玻璃制品 。熔化和凝固在此过程中是必不
可少的。
在日常生活中的应用
烹饪
在烹饪过程中，许多食材都需要 经过熔化或凝固来达到特定的口 感和质地，如糖浆、黄油、冰激
凌等。
制冰
制冰过程中，需要将水冷却并凝固 成冰，用于各种场合的制冷和降温 需求。
在熔化过程中，固体分子之间的距离逐渐增大，晶格结构逐渐消失，液态分子之间 的距离相等，运动速度相近，具有流动性。
熔化过程需要吸收热量，热量通过外界热源传递给固体分子，使其获得能量发生相 变。
凝固的微观解释
凝固是物质从液态到固态的相变过程 ，微观上表现为液态分子失去足够的 能量，无法克服分子间的引力，重新 形成固体晶格结构。
在生物学实验中，细胞和组织的培养需要特定的温度条件来维持其生 命活动，熔化和凝固在此过程中起到调节温度的作用。
05
熔化和凝固的特性与规律
熔化的特性与规律
01
02
03
熔化定义
物质从固态到液态的相变 过程，需要吸收热量。
熔化规律
熔化过程中，物质的温度 保持不变，直到熔化完成 。
熔化特点
熔化过程中，物质由固态 变为液态，物质状态发生 变化。
食品保存
在食品保存过程中，通过特定的凝 固或熔化操作，可以延长食品的保 质期，如酸奶、奶酪等。
在科学实验中的应用
化学实验
在化学实验中，常常需要将化学物质加热至熔化或冷却至凝固来进 行反应和分离操作。熔化和凝固是化学实验中的重要步骤。
物理实验
在物理实验中，熔化和凝固常被用于研究物质的热性质和相变特性 ，如热传导、相变潜热等。
中起到至关重要的作用。
玻璃制造
玻璃制造过程中，需要将沙子熔 化成液体，再经过冷却和固化， 形成各种形状和用途的玻璃制品 。熔化和凝固在此过程中是必不
可少的。
在日常生活中的应用
烹饪
在烹饪过程中，许多食材都需要 经过熔化或凝固来达到特定的口 感和质地，如糖浆、黄油、冰激
凌等。
制冰
制冰过程中，需要将水冷却并凝固 成冰，用于各种场合的制冷和降温 需求。
在熔化过程中，固体分子之间的距离逐渐增大，晶格结构逐渐消失，液态分子之间 的距离相等，运动速度相近，具有流动性。
熔化过程需要吸收热量，热量通过外界热源传递给固体分子，使其获得能量发生相 变。
凝固的微观解释
凝固是物质从液态到固态的相变过程 ，微观上表现为液态分子失去足够的 能量，无法克服分子间的引力，重新 形成固体晶格结构。
熔化和凝固ppt课件
新课导入
观察与思考 物质的物态之间发生什么变化？需要什么条件？
铁变成铁水水结成冰物质的三种状态及变化 1．物质有三态：固态、液态、气态。
在一定条件下可以发生转化 2．物质从一种状态变成另一种状态叫做物态变化。
物质从固态变成液态的过程叫做熔化； 如冰熔化为水、蜡烛熔化成烛滴等。
物质从液态变成固态的过程叫做凝固。 如水结冰、火山喷出的岩浆凝固成火山岩等。
2.熔点和凝固点 晶体熔化时的温度叫做熔点。非晶体没有确定的熔点。 熔点
物质熔化时的温度变化曲线
液体凝固形成晶体时也有确定的温度，这个温度叫做凝固点。非 晶体没有确定的凝固点。 凝固点
物质凝固时温度变化曲线
同一物质的熔点与它的凝固点相同
在1标准大气压下几种晶体的熔点（凝固点）
晶体
钨 钢 铜 金 铝 锡
48
BC
固态
A
0
t/min
0
(1)AB段海波处于固态，吸热升温。
(2)BC段海波处于固液共存状态，
吸热，温度保持不变.
(3)CD段海波处于液态，吸热升温。
t/min
石蜡没有固定的熔化温度， 整个过程都在吸热，温度 持续上升。
1.晶体与非晶体 晶体：有些固体在熔化过程中尽管不断吸热，温度却保持不变， 有固定的熔化温度。 如:冰、海波、各种金属等。 非晶体：有些固体在熔化过程中，只要不断吸热，温度就不断 上升，没有固定的熔化温度。 如：蜡、松香、玻璃、沥青等。
.
熔 化 图 像
47 46
.
. . 45
44 43
. .42
41 40
随着不断加 热，石蜡的 温度升高， 在此过程中， 石蜡变软、 变稀，最后 熔化为液体。
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 t/min
观察与思考 物质的物态之间发生什么变化？需要什么条件？
铁变成铁水水结成冰物质的三种状态及变化 1．物质有三态：固态、液态、气态。
在一定条件下可以发生转化 2．物质从一种状态变成另一种状态叫做物态变化。
物质从固态变成液态的过程叫做熔化； 如冰熔化为水、蜡烛熔化成烛滴等。
物质从液态变成固态的过程叫做凝固。 如水结冰、火山喷出的岩浆凝固成火山岩等。
2.熔点和凝固点 晶体熔化时的温度叫做熔点。非晶体没有确定的熔点。 熔点
物质熔化时的温度变化曲线
液体凝固形成晶体时也有确定的温度，这个温度叫做凝固点。非 晶体没有确定的凝固点。 凝固点
物质凝固时温度变化曲线
同一物质的熔点与它的凝固点相同
在1标准大气压下几种晶体的熔点（凝固点）
晶体
钨 钢 铜 金 铝 锡
48
BC
固态
A
0
t/min
0
(1)AB段海波处于固态，吸热升温。
(2)BC段海波处于固液共存状态，
吸热，温度保持不变.
(3)CD段海波处于液态，吸热升温。
t/min
石蜡没有固定的熔化温度， 整个过程都在吸热，温度 持续上升。
1.晶体与非晶体 晶体：有些固体在熔化过程中尽管不断吸热，温度却保持不变， 有固定的熔化温度。 如:冰、海波、各种金属等。 非晶体：有些固体在熔化过程中，只要不断吸热，温度就不断 上升，没有固定的熔化温度。 如：蜡、松香、玻璃、沥青等。
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熔 化 图 像
47 46
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. . 45
44 43
. .42
41 40
随着不断加 热，石蜡的 温度升高， 在此过程中， 石蜡变软、 变稀，最后 熔化为液体。
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熔化和凝固PPT课件完美版
固态
液态
固态
液态
固态、液态、固液共存都有可能
不能
海波是五水合硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O) 的俗称
海波被人熟知的用途是作为照相中的定影剂。
海波在医药上可用作氰化物（如氰化钠NaCN）解毒剂。
海波在纺织及造纸工业上用作为脱氯剂。
海波还曾用来治疗某些皮肤病等。
水晶
石膏
明矾
松香
B
C
D
0
2
4
6
8
10
12
14
36
40
44
48
52
56
60
62
A
B
C
D
海波的熔化图像
时间/分
比较两幅图像，你们能发现些什么？
海波的凝固图像
硫代硫酸钠温度随时间变化的图像
温度℃
同种物质的熔点和凝固点相同
1、上科学复习课时，老师写下了一副对联，上联是“杯中冰水，水结冰冰温未降”；下联是“盘内水冰，冰化水水温不升”。对联包含的物质变化是______ 和 ，反映一个共性是 。
物质三态：
固态：液态：气态：
以水为例：
冰雨、白气、雾、露、霜、雪、冰雹 水蒸气
冰 霜 雪 冰雹
雨 雾 露 白气
水蒸气（人眼看不到）
炼钢
熔化
凝固
1、熔化：
物质从固态变成液态的过程。
2、凝固：
物质从液态变成固态的过程
3、物质熔化和凝固需要什么条件？不同的物质熔化和凝固的规律一样吗？
玻璃
橡胶
塑料
亲爱的同学们，再见！
48
48
48
48
49
52
56
液态
固态
液态
固态、液态、固液共存都有可能
不能
海波是五水合硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O) 的俗称
海波被人熟知的用途是作为照相中的定影剂。
海波在医药上可用作氰化物（如氰化钠NaCN）解毒剂。
海波在纺织及造纸工业上用作为脱氯剂。
海波还曾用来治疗某些皮肤病等。
水晶
石膏
明矾
松香
B
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A
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海波的熔化图像
时间/分
比较两幅图像，你们能发现些什么？
海波的凝固图像
硫代硫酸钠温度随时间变化的图像
温度℃
同种物质的熔点和凝固点相同
1、上科学复习课时，老师写下了一副对联，上联是“杯中冰水，水结冰冰温未降”；下联是“盘内水冰，冰化水水温不升”。对联包含的物质变化是______ 和 ，反映一个共性是 。
物质三态：
固态：液态：气态：
以水为例：
冰雨、白气、雾、露、霜、雪、冰雹 水蒸气
冰 霜 雪 冰雹
雨 雾 露 白气
水蒸气（人眼看不到）
炼钢
熔化
凝固
1、熔化：
物质从固态变成液态的过程。
2、凝固：
物质从液态变成固态的过程
3、物质熔化和凝固需要什么条件？不同的物质熔化和凝固的规律一样吗？
玻璃
橡胶
塑料
亲爱的同学们，再见！
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熔化与凝固PPT课件(初中科学)
非晶体融化时不存在固液共存的状态（只有软化过 程）。
温 度
如图为海波的融化曲线 ℃
240
（1）由图判断出该物体的熔点
是 210℃，融化时间是 3 分钟 220 B
D乙 C
（2）温度升高的是 AB、CD段， 200
温度不变的是BC 段，
180A 1 2 3 4 5 6
AB段处于 固体 状态，BC段处于 固液共存 状态，
1、 固态
融化 液态
凝固
2、晶体与非晶体的比较
融化规律
凝固规律
晶体 非晶体 晶体 非晶体
不 有熔点 同 融化时固
液共存
无熔点
融化时先 软后稀
有凝固点 无凝固点
凝固时固 凝固时无 液共存 固液共存
相同
吸取热量
放出热量
• 根据固体融化特点的不同，可以将固体分为 两类__晶_体___、_非_晶__体__;它们有一个很重要的区 分是__晶__体_有__熔__点__，_非__晶__体__没_有_ 熔点
新版浙教初中《科学》七年级（上）
第四章 物质的特性
第5节 融化和凝固
固态、液态、气态是物质常见的三种状态。 固态：如铝、金、银、铜、铁等通常为固态 液态：如水、醋、油等通常是液态 气态：如氧气、氢气、氮气等通常是气态
火山爆发
融化 —— 物质从 固态变成液态的
过程叫做融化。
冰山
凝固 —— 物质从 液态变成固态的 过程叫做凝固。
硫代硫酸钠凝固的图象
5、凝固过程 放热 。
1用、酒在精南温极度，计气来温测几常量常种气到温晶达吗体零？下的那4么熔0摄水点氏银（度温，度℃请计问呢），？在那里可以使
温度物比质 熔点高熔点的是液态物质；温度熔比点熔点物低质的是固熔态点
温 度
如图为海波的融化曲线 ℃
240
（1）由图判断出该物体的熔点
是 210℃，融化时间是 3 分钟 220 B
D乙 C
（2）温度升高的是 AB、CD段， 200
温度不变的是BC 段，
180A 1 2 3 4 5 6
AB段处于 固体 状态，BC段处于 固液共存 状态，
1、 固态
融化 液态
凝固
2、晶体与非晶体的比较
融化规律
凝固规律
晶体 非晶体 晶体 非晶体
不 有熔点 同 融化时固
液共存
无熔点
融化时先 软后稀
有凝固点 无凝固点
凝固时固 凝固时无 液共存 固液共存
相同
吸取热量
放出热量
• 根据固体融化特点的不同，可以将固体分为 两类__晶_体___、_非_晶__体__;它们有一个很重要的区 分是__晶__体_有__熔__点__，_非__晶__体__没_有_ 熔点
新版浙教初中《科学》七年级（上）
第四章 物质的特性
第5节 融化和凝固
固态、液态、气态是物质常见的三种状态。 固态：如铝、金、银、铜、铁等通常为固态 液态：如水、醋、油等通常是液态 气态：如氧气、氢气、氮气等通常是气态
火山爆发
融化 —— 物质从 固态变成液态的
过程叫做融化。
冰山
凝固 —— 物质从 液态变成固态的 过程叫做凝固。
硫代硫酸钠凝固的图象
5、凝固过程 放热 。
1用、酒在精南温极度，计气来温测几常量常种气到温晶达吗体零？下的那4么熔0摄水点氏银（度温，度℃请计问呢），？在那里可以使
温度物比质 熔点高熔点的是液态物质；温度熔比点熔点物低质的是固熔态点
熔化和凝固(3)PPT课件(人教版)
A．继续融化
B．继续凝固
C．既不融化也不凝固
D．无法判断
7 如图所示，把装有碎冰块的试管
插入烧杯里的碎冰块中，然后对烧杯底
部慢慢加热，当烧杯内的冰块融化一半
时，试管里的冰块将（ ）
Ａ．全部融化
Ｂ．不融化
Ｃ．融化一半
Ｄ．开始融化
2克、0℃的冰和1000克、0℃的水混合，设混合过程中与外 界不产生热量交换，则 [ ]
4 图所示是－10℃的冰块受热后，冰块在溶解过程中温度
随时间变化的图象。（1）开始加热的最初5分钟内冰块是
态。
（2）5—15分钟内冰块逐渐
，是
与
共存。（3）到20分钟时，冰全部变
成
℃的水了
5 在气温－２０℃的冬天，河面上冰的上表面 温度是＿＿＿＿＿℃，冰的下表面温度是＿＿＿℃
6 把冰水混合物放到一个－2℃的房间里，它将：
非晶体:有些固体没有确定的融化温度,融化过程中吸热温度不断升高 例如:松香、蜂蜡、玻璃、沥青 晶体融化时的温度叫做熔点
晶体的凝固
非晶体的凝固
有确定的凝固温度
凝固过程中放热，但 温度保持不变
没有确定的凝固温度 凝固过程中放热，温度降低
小结 1 融化和凝固 物质从固态变成液态的过程叫做融化
物质从液态变成固态的过程叫做凝固
11 一支没刻好刻度的温度计，插入冰水混合物中时，煤油柱 的长度为7厘米，插入一标准大气压下的沸水中时，煤油柱的 长度为32厘米，当把该温度计插入某种液体时，煤油柱长度为 27厘米，则此液体的温度是 [ ]
A．54℃ B．108℃． C．64℃． D．80℃．
2 关于晶体的融化和凝固，下列说法正确的是（ C D ） A． 晶体的温度到达熔点时一定融化 B． 将食盐放到水中，一会儿水就变咸了，这是融化现象 C． 晶体在凝固过程中要放出热量 D． 晶体在融化过程中温度保持不变
第三讲固溶体及液态金属凝固专选课件
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
薛小怀 副教授
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为 定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结
晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶
驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复
存在。所以液态金属不会在没有过冷度的情况下
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值 大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。 Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的 不同，可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂 结构的间隙化合物。
薛小怀 副教授
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为 间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、 Fe2N等。
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。薛小怀 副教授（3 Nhomakorabea间隙化合物
第三讲固溶体及液态金属凝固
第3章 金属的结构与固溶强化优秀PPT
正刃型
负刃型
螺型位错
螺型位错的形成
原子模型
❖ 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。
= L/V(cm/cm3或1/cm2)
❖ 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
① 减少缺陷进行强化：将 金属做成晶须，晶体几 乎没有缺陷，强度接近 理论值，但因尺寸有限， 应用受到限制。
Z
(221)
[221]
Y
X
§3.2 纯金属的实际晶体结构
一、单晶体与多晶体的基本概念
1. 单晶体：晶体内部晶格位向（即原子排 列方向）完全一致的晶体。
2. 多晶体 实际使用的金属材料是由许多彼此方 位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。
多晶体：由许多晶格排列方位不同的晶 粒组成的晶体
举例
K2Cr3O7 -S，CaSO42H2O -S，Ga，Fe3C Zn，Cd，Mg，NiAs As，Sb，Bi -Sn，TiO2 Fe，Cu，Ag，Au
四方 菱方 正交 单斜
三斜
90%以上的纯金属金属晶体都具有排列紧密、对称 性高的简单结构。 常见纯金属的晶格类型有三类： 体心立方(bcc，body-centered cubic) 面心立方(fcc， face-centered cubic) 密排六方(hcp， hexagonal close-packed )
100:[10]、 0 [01]、 0 [00]1
110:[11]、 0 [10]、 1 [01]、 1 [11]0、 [10]1、 [011]
111:[11]、 1 [11]1、 [111]、 [11]
<111>
[111] Z
负刃型
螺型位错
螺型位错的形成
原子模型
❖ 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。
= L/V(cm/cm3或1/cm2)
❖ 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。
① 减少缺陷进行强化：将 金属做成晶须，晶体几 乎没有缺陷，强度接近 理论值，但因尺寸有限， 应用受到限制。
Z
(221)
[221]
Y
X
§3.2 纯金属的实际晶体结构
一、单晶体与多晶体的基本概念
1. 单晶体：晶体内部晶格位向（即原子排 列方向）完全一致的晶体。
2. 多晶体 实际使用的金属材料是由许多彼此方 位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。
多晶体：由许多晶格排列方位不同的晶 粒组成的晶体
举例
K2Cr3O7 -S，CaSO42H2O -S，Ga，Fe3C Zn，Cd，Mg，NiAs As，Sb，Bi -Sn，TiO2 Fe，Cu，Ag，Au
四方 菱方 正交 单斜
三斜
90%以上的纯金属金属晶体都具有排列紧密、对称 性高的简单结构。 常见纯金属的晶格类型有三类： 体心立方(bcc，body-centered cubic) 面心立方(fcc， face-centered cubic) 密排六方(hcp， hexagonal close-packed )
100:[10]、 0 [01]、 0 [00]1
110:[11]、 0 [10]、 1 [01]、 1 [11]0、 [10]1、 [011]
111:[11]、 1 [11]1、 [111]、 [11]
<111>
[111] Z
材料加工原理第4章液态金属的凝固PPT课件
15
非均质形核与均质形核时临界曲
率半径大小相同，但球缺的体积
θ '＞ θ "
比均质形核时体积小得多。所以， Δ T * " I h e " I h e '
Iho
液体中晶坯附在适当的基底界面 I
Δ T *'
上形核，体积比均质临界核体积
ΔT *
小得多时，便可达到临界曲率半
径，因此在较小的过冷度下就可 以得到较高的形核率。
核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。
8
（一）形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两 部分组成，即作为相变驱动力的液固体积自由能之差（负）和阻碍相 变的液-固界面能（正）：
G V ( G V)ASL
G3 4r3G V4r2SL
r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG* r ＞r*时，r↑→ΔG↓
25
粗糙界面与光 滑界面是在原子 尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相 区别，后者尺度 在μm 数量级。
26
（三）晶体微观长大方式和长大速率
晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的界面过冷度称为
动态过冷度，用∆Tk表示。具有光滑界面的物质，其∆Tk约为 1~2℃。具有粗糙界面的物质，∆Tk仅为0.01~0.05℃。这说明， 不同结构类型的界面，具有不同的长大方式。
粗糙界面连续长大：
V1 =K1·∆T
光滑界面螺旋长大：
V3 K3T2
光滑界面二维晶核长大：
V2K2eBT
第三章 凝固热力学与动力学
31
常见控制形核方法
增大冷却速率，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落； 采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成 的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细 小的等轴晶组织。 添加晶粒细化剂，促进异质形核；
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薛小怀 副教授
固溶体的性能
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格 都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的 阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度 和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而 使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
薛小怀 副教授
金属化合物
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
薛小怀 副教授
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为 定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结
晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶
驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复
存在。所以液态金属不会在没有பைடு நூலகம்冷度的情况下
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物性能特点：
具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙 相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类 化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属 化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金 属化合物为基的固溶体。
薛小怀 副教授
纯金属的结晶
金属由液态转变为晶体状态的 过程称为结晶或一次结晶。
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的 一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金 固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化 合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的 脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度 和耐磨性，但降低塑性。
薛小怀 副教授
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大 的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符 合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可 用化学式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。
结晶。
薛小怀 副教授
系统的自由能变化由两部分构成，液相与 固相的体积自由能之差，它是相变的驱动力； 另一部分是出现了界面使系统增加了表面能， 它是相变的阻力。前者与晶胚半径的三次方成 正比，后者与其平方成正比。
G3 4r3G V4r2SL
薛小怀 副教授
晶胚半径r较小 时，表面能占优势； r较大时负值的体 积自由能变化占优 在液体中，由于形成不同半径的球形 势。
把一种固态转变为另一种固态 称为二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非 完全无序排列，在很小范围 内有序，即近程有序，远程 无序。
液态金属结构示意图
薛小怀 副教授
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是 高能状态向低能状态的转变。
薛小怀 副教授
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发
晶胚所引起的自由能变化的示意图。
薛小怀 副教授
当温度低于T0时，晶胚半径r大于临界半径 r*时，晶胚才是稳定的。比临界半径更小的晶胚 如果要继续长大，则相应的自由能也要增加，不 符合热力学条件所以是不可能的。即小于r*的晶 胚要分解，大于r*的晶胚可以继续长大。
下面来求出临界半径r* ：
薛小怀 副教授
人民解放军百万大军横渡长江
——毛泽东
了解新闻
要求：
标题 请同学们用一个短语或一句 事件提要 话说出这则新闻的主要事件。
性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于 固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合 金强化。
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。
G3 4r3G V4r2sL
对r求导数，并令其等于0，即可得出临界形核半径r*:
r G r( 3 4r3 G V 4r2s L ) 0
GV
L T Tm
薛小怀 副教授
r* 2LC2LCT0
Gv LT
表明临界半径r*与过冷度成反比，即过冷 度越大，形成晶核的晶胚的临界半径越小。
薛小怀 副教授
第三讲固溶体及液态金属 凝固
固溶体的几个基本概念
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据 组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、 同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开 的、均匀的组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
薛小怀 副教授
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶 体结构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
薛小怀 副教授
（3）间隙化合物
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的 不同，可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂 结构的间隙化合物。
薛小怀 副教授
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为 间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、 Fe2N等。
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
薛小怀 副教授
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓
与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝ L, SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△S为熔 化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以 有△S ＝L/T0。因此，可得：
进行的过程。系统的自由能G可由下式表示：
GHTS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
薛小怀 副教授
GL
自 由 G能
GS
T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
在温度T0处GL＝GS，
固、液两相处于热
力学平衡状态。T0
即为纯金属的平衡
结晶温度。
薛小怀 副教授
当T>T0时，GL<GS，液相处于自由能更低的稳 定状态，结晶不可能进行；只有当T<T0时， GL>GS，结晶才可能自发进行。这时两相自由能 的差值ΔG就构成相变（结晶）的驱动力：
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值 大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。 Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。
固溶体的性能
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格 都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的 阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度 和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而 使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
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金属化合物
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
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GL S
L(T0T)LT
T0
T0
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为 定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结
晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶
驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复
存在。所以液态金属不会在没有பைடு நூலகம்冷度的情况下
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物性能特点：
具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙 相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类 化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属 化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金 属化合物为基的固溶体。
薛小怀 副教授
纯金属的结晶
金属由液态转变为晶体状态的 过程称为结晶或一次结晶。
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的 一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金 固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化 合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的 脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度 和耐磨性，但降低塑性。
薛小怀 副教授
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大 的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符 合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可 用化学式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。
结晶。
薛小怀 副教授
系统的自由能变化由两部分构成，液相与 固相的体积自由能之差，它是相变的驱动力； 另一部分是出现了界面使系统增加了表面能， 它是相变的阻力。前者与晶胚半径的三次方成 正比，后者与其平方成正比。
G3 4r3G V4r2SL
薛小怀 副教授
晶胚半径r较小 时，表面能占优势； r较大时负值的体 积自由能变化占优 在液体中，由于形成不同半径的球形 势。
把一种固态转变为另一种固态 称为二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非 完全无序排列，在很小范围 内有序，即近程有序，远程 无序。
液态金属结构示意图
薛小怀 副教授
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是 高能状态向低能状态的转变。
薛小怀 副教授
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发
晶胚所引起的自由能变化的示意图。
薛小怀 副教授
当温度低于T0时，晶胚半径r大于临界半径 r*时，晶胚才是稳定的。比临界半径更小的晶胚 如果要继续长大，则相应的自由能也要增加，不 符合热力学条件所以是不可能的。即小于r*的晶 胚要分解，大于r*的晶胚可以继续长大。
下面来求出临界半径r* ：
薛小怀 副教授
人民解放军百万大军横渡长江
——毛泽东
了解新闻
要求：
标题 请同学们用一个短语或一句 事件提要 话说出这则新闻的主要事件。
性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于 固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合 金强化。
薛小怀 副教授
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素 结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电 子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子 数目与原子数目之比。
性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低， 一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属 合金中。
G3 4r3G V4r2sL
对r求导数，并令其等于0，即可得出临界形核半径r*:
r G r( 3 4r3 G V 4r2s L ) 0
GV
L T Tm
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r* 2LC2LCT0
Gv LT
表明临界半径r*与过冷度成反比，即过冷 度越大，形成晶核的晶胚的临界半径越小。
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第三讲固溶体及液态金属 凝固
固溶体的几个基本概念
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据 组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、 同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开 的、均匀的组成部分 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
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固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶 体结构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
薛小怀 副教授
（3）间隙化合物
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的 不同，可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂 结构的间隙化合物。
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间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为 间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、 Fe2N等。
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
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一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓
与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝ L, SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△S为熔 化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以 有△S ＝L/T0。因此，可得：
进行的过程。系统的自由能G可由下式表示：
GHTS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
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GL
自 由 G能
GS
T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
在温度T0处GL＝GS，
固、液两相处于热
力学平衡状态。T0
即为纯金属的平衡
结晶温度。
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当T>T0时，GL<GS，液相处于自由能更低的稳 定状态，结晶不可能进行；只有当T<T0时， GL>GS，结晶才可能自发进行。这时两相自由能 的差值ΔG就构成相变（结晶）的驱动力：
性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且 十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是 硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值 大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。 Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。