工程材料纯金属的结晶

2. 临界大小
在一定过冷度下，Δ GV为负值，而σ恒 为正值。可见晶体总是希望有最大的体 积和最小的界面积。设Δ GV和σ为常数， 最有利的形状为球。设球的半径为r， 有：
4 G r 3 Gv 4r 2 3 dG 2 令 0 得rc dr G v
这里rc称为临界尺寸，当细小晶体的半径大于临界尺寸，晶体 长大时吉布斯自由能下降，这种可以长大的小晶体称为晶核。 如果它的半径小于临界尺寸，晶体长大时吉布斯自由能将上升， 自发过程为不断减小到消失。
引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可 以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。
2. 熔融液体的粘度： 粘度表征流体中发生 相对运动的阻力，随 温度降低，粘度不断 增加，在到达结晶转 变温度前，粘度增加 到能阻止原子迁移排 列形成晶体，这时物 质已经凝固，保持固 定的形状，不能发生 结晶。例如玻璃、高 分子材料。
dv f s dx
3、熔融液体的冷却速度：冷却速度快，原 子扩散能力越差，到达结晶温度原子来 不及扩散重新排列就降到更低温度，最 终到室温时难以重组合成晶体，可以将 无规则排列固定下来。金属材料需要达 到106℃/s才能获得非晶态。
在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固 为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。
冷却速度越大, 则开始结 晶温度越低, 过冷度也就越大。 ●de段 正在结晶，恒温结 晶。液态原子无序状态转变为有 序状态时放出结晶潜热，保持温 度不变。
纯金属（纯铜）的冷却曲线
过冷现象与过冷度 • 过冷现象 • 过冷度 ΔT = T0 – T1 • 过冷是结晶的必要条件。
自发转变的能量条件： 自然界的一切自发转变过程，总是由一 种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状 态。 在一定温度条件下，只有引起体系自由 能（即能够对外作功的那部分能量）降低 的过程才能自发进行。
• 晶体结晶都具有 严格的平衡结晶 温度。而非晶体 没有。
二、凝固状态的影响因素
1. 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由 能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低， 而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。 这是热力学的基本原则。能量最低原理 2. 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻 力，随温度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温 度前，粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时， 即可以保持固定的形状，这时物质已经凝固，不能发 生结晶。例如玻璃、高分子材料。
第三章 材料的凝固与相图
内容提要：
本章介绍材料的凝固规律与凝固后的晶体结
构类型、组织状况及性能特点，将其归结与一 张相图中的意义。 重点阐明结晶条件、结晶过程、晶粒大小的 控制和相图
一、 凝固与结晶的概念
引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。 并且在一定的条件下，它们可以发生互相转变。
交点对应的温度 T0即为理论结晶 温度。
液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必 须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT ， 使金属在液态和固态之间存在自由能差Δ F 。 液态金属结晶的动力：Δ F
2、结构条件
瞬时出现短程有序的原子集团，即结构起伏
三、结晶的过程
包括两个基本过程：形核、长大
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
2.结晶
*物质由液态转变成晶体的过程。
*物质中的原子由近程有序排列向远
程有序排列的过程。
固体：是指能够保持自己形状的状态，固体材料 有晶体和非晶体，从液态到非晶体的凝固过程， 在冷却到一定温度，材料的黏度增加到能保持 自己形状的状态。 • 晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝结)、 液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一 种晶体。
1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作 老师提示 实际金属结晶时，以非自发形 为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。 核为主。晶核形成、晶体长大时晶体表
面能的增加是金属结晶的阻力。 (1) 自发形核 (2) 非自发形核
存在过冷的液体，依靠自身的原子运动可能形成晶核，这 种方式称为自发形核。
自发形核
第二节 纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶
金属材料要经过液态和固态的加工过程。 钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和 热处理等工艺过程。
金属浇注、冷却 后，液态金属转变为 固态金属，获得一定 形状的铸锭或铸件。
冶炼注锭
液态金属中金属原子作不规 则运动。在小范围内，原子会 出现规则排列，称短程有序。 短程有序的原子集团是不稳 定的，瞬时出现瞬时消失。 通常的固态金属属于晶 体材料，金属原子规则排列， 叫长程有序。
体晶态的转变称为一 次结晶。简称金属结晶。
一、纯金属结晶的条件 纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温 度), Tn为开始结晶温度。
●bc段 温度低于理论结晶温度, 称为过冷现 象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过 冷度，用ΔT 表示：ΔT =T0- Tn
1、能量条件
结晶过程不是在任何情况下都能 自动发生。自然界的一切自发转变过 程总是向着自由能降低的方向进行。 在单一的组元情况下,自由能：
G U TS G ＝U固 －T S 固 固
G液＝U液－T S 液
两曲线相交处的温度T0，当温度T= T0时，液相和固相的自由 能相等，处于平衡共存，所以称T0为临界点，也就是理论凝 固温度。当T< T0时，从液体向固体的转变使吉布斯自由能下 降，是自发过程，发生结晶过程；反之，当T> T0时，从固体 向液体的转变使吉布斯自由能下降，是自发过程，发生熔化过 程。 所以结晶过程的热力学条件就是温度必须冷却到理论结晶 温度T0以下才行。即过冷
1. 能量变化
在一定的过冷度下，液体中若出 现一固态的晶体，该区域的能量将发 生变化，一方面一定体积的液体转变 为固体，体积自由能会下降，另一方 面增加了液－固相界面，增加了表面 自由能，因此总的吉布斯自由能变化 量为： 其中Δ GV为单位体积内固液吉布斯自由 能之差，V为晶体的体积，σ为界面能， A为界面的面积。一个细小的晶体出现后， 是否能长大，决定于在晶体的体积增加 时，其自由能是否为下降。