2钢液凝固的基本理论
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
结晶潜热： 在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产 生的剩余能量将以热的形式向外界释放， 我们称之为“结晶潜热”。
过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外， 结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降， 使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度ΔT保 持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是 不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。
程中进行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小 体积的液体中，或在大体积液体的局部区域内进行。
冷却速度越大，则过冷度越大。
• 过冷现象：过冷是结晶的必要条件。 • 过冷度 : ΔT = T0 – T1 • 结晶热力学条件：必须具有一定的过冷度。
结晶的动力学条件
• 液体的结晶必须有核心 • 液态金属中有许多与固态金属结构相似、体积很小
• 在一定的过冷度下,当G体≥G表时,晶 核就形成。
• 临界形核半径（假设球形）随过冷度 增大而减小。 当过冷液体中出现晶坯时，一方面 由于原子由液态的聚集状态转变为固 态的排列状态，使体系的自由能降 低）；另一方面，由于晶坯构成新的 表面，又会引起表面自由能的增加。
r<r*时，晶胚长大将导致系统自由能的 增加，这种晶胚 不稳定，瞬时形成， 瞬时消失。
理论上，上述温度 T0 当T＞T0 S→L 当T＜T0 L→S 当T＝T0 LS
（三）自由能：
（由固态转变为液态） （由液态转变为固态） （液态、固态平衡共存）
物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够 对外作功的这部分能量（G）称为自由能。
任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于 稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物 体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的 过程，其驱动力，就“是自由能差”（ΔG） 。
（五）冷却曲线：
ΔT
物体在液态冷却结晶过程中所
T0 Tn
作出的τ-T曲线。（如右图）
冷却曲线中出现的水平台阶的
温度就是实际结晶温度。
纯金属结晶冷却曲线示意图
NETZSCH 404G3 高温差示扫描量热仪
主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转变焓、多晶 形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热 变化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、 固化温度等。
• A 均质形核 • 均质形核是在液相中直接产生晶核。即在一定的过
冷度下，液态金属中一些体积很小的近程有序排列的 “原子集团”转变成规则排列并稳定下来的胚胎晶核， 这一过程称为均质形核。从热力学的观点出发，这一 过程只有引起系统自由能的降低才能自发进行。形成 新相晶核系统自由能的变化包括： • (1)在液相中形成品核时引起体积自由能的降低； • (2)形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能 的增加。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可见，自由能差ΔG是靠ΔT=T0－Tn来获得的， 所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。
说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温 度T0。
（四）过冷度：
实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差： ΔT=T0-Tn
一般情况下，过冷度ΔT越大则ΔG越大、则结晶驱动 越大，结晶倾向也越大。
图2—2是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线的情况。曲线中各转点表 示结晶的开始或终结。其中：a表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下 开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定， 一直到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常 倩况)的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放 大于热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下 进行；直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷 度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过
结晶过程的一般规律
• 形核 • 长大
形核、长大
形核和（晶核）长大的过程动态演示：
液态金属
形核
长大
完全结晶
• （结构条件：晶胚临界形核半径晶核 ） • 稳定存在的晶核：自发形核、非自发形核
晶核的形成
• 从液态金属中产生晶核一般有两种形式，一种是均 质形核(自发形核)，另一种是异质形核非自发形核)。 实际金属结晶时，大多数是以异质形核的方式进行的。
如右图，液体、晶体的原
子结构不同，所以，其自由能
G随温度T的变化也不同。
自 由
T↑ G↓；
能 G
但GL↓＞GS↓， 交点T0
GL GS
ΔG＝GL－ GS ΔT
当Tn＜T0时 ΔG=GL-GS L →S晶
Tn
T0 温度T
当Tn＞T0时 ΔG=GS-GL S晶→L 无驱动力，如平面上
当Tn＝T0时 ΔG=0 S晶L 的球、等温的两物体
的原子集团，在足够的过冷度条件下，这些原子集 团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过 程即为均质形核； • 而以金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的 器壁作为形成核心的“依托”发展成为晶核的过程， 称为非均质形核。由于钢液的内部含有熔点不同的 杂质，因此钢液的结晶主要为非均质形核。实践证 明，均质形核需要很大的过冷度，而非均质形核需 要的过冷度很小，只要过冷度达到20℃就能形成晶 核。
r>r*时，随晶胚长大，系统自由能降低， 凝固过程自动进行。
• 晶核形成的形式: *自发形核（均质形核） △T =200℃ *非自发形核（异质形核）△T =20℃
利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度
的测量，这种测量方法称为“热分析法”。此法是将被
测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，
冷速越慢，过冷度ΔT就越小，测得的实际结晶温度
就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时
间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图
所示的“冷却曲线”。 T
金属的结晶热力学条件
一、结晶的基本概念
（一）凝固与结晶： 凝固 L→S 的过程 （由液态转变为固态的过程） 结晶 L→S晶的过程 （由液态转变为固态的过程） “一次结晶”、“二次结晶”
晶体
（二）理论结晶温度：
凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温 度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温 度就称为理论结晶温度 。T0符号 。
过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外， 结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降， 使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度ΔT保 持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是 不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。
程中进行，直到结晶终结后，温度便又更快地下降。这后一种情况只能在较小 体积的液体中，或在大体积液体的局部区域内进行。
冷却速度越大，则过冷度越大。
• 过冷现象：过冷是结晶的必要条件。 • 过冷度 : ΔT = T0 – T1 • 结晶热力学条件：必须具有一定的过冷度。
结晶的动力学条件
• 液体的结晶必须有核心 • 液态金属中有许多与固态金属结构相似、体积很小
• 在一定的过冷度下,当G体≥G表时,晶 核就形成。
• 临界形核半径（假设球形）随过冷度 增大而减小。 当过冷液体中出现晶坯时，一方面 由于原子由液态的聚集状态转变为固 态的排列状态，使体系的自由能降 低）；另一方面，由于晶坯构成新的 表面，又会引起表面自由能的增加。
r<r*时，晶胚长大将导致系统自由能的 增加，这种晶胚 不稳定，瞬时形成， 瞬时消失。
理论上，上述温度 T0 当T＞T0 S→L 当T＜T0 L→S 当T＝T0 LS
（三）自由能：
（由固态转变为液态） （由液态转变为固态） （液态、固态平衡共存）
物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够 对外作功的这部分能量（G）称为自由能。
任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于 稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物 体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的 过程，其驱动力，就“是自由能差”（ΔG） 。
（五）冷却曲线：
ΔT
物体在液态冷却结晶过程中所
T0 Tn
作出的τ-T曲线。（如右图）
冷却曲线中出现的水平台阶的
温度就是实际结晶温度。
纯金属结晶冷却曲线示意图
NETZSCH 404G3 高温差示扫描量热仪
主要用于对材料进行高温热分析，包括相转变温度及转变焓、多晶 形转变温度和转变焓、物质的比热、材料的玻璃化转变温度与比热 变化程度、熔点与熔化焓、晶体的结晶温度与结晶热焓、结晶度、 固化温度等。
• A 均质形核 • 均质形核是在液相中直接产生晶核。即在一定的过
冷度下，液态金属中一些体积很小的近程有序排列的 “原子集团”转变成规则排列并稳定下来的胚胎晶核， 这一过程称为均质形核。从热力学的观点出发，这一 过程只有引起系统自由能的降低才能自发进行。形成 新相晶核系统自由能的变化包括： • (1)在液相中形成品核时引起体积自由能的降低； • (2)形成晶核时产生固、液交界面导致表面自由能 的增加。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可见，自由能差ΔG是靠ΔT=T0－Tn来获得的， 所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。
说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温 度T0。
（四）过冷度：
实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（T0）之差： ΔT=T0-Tn
一般情况下，过冷度ΔT越大则ΔG越大、则结晶驱动 越大，结晶倾向也越大。
图2—2是用热分析测定液态金属结晶时3种冷却曲线的情况。曲线中各转点表 示结晶的开始或终结。其中：a表示接近平衡的冷却，结晶在一定的过冷度下 开始、进行和终结，由于潜热的释放和逸散相等，所以结晶温度始终保持恒定， 一直到完全结晶后，温度才下降3b表示金属液冷却速度较快(实际生产的通常 倩况)的状态，结晶在较大的过冷度下开始，所以进行较快，而使潜热的释放 大于热的逸散，这样便使湿度逐渐回升，直至两者相等，而后结晶便在恒温下 进行；直到结晶完成后，温度才会下降；c表示冷却很快，结晶在更大的过冷 度下开始，而且浴热的释放始终小于热的逸散，所以结晶一直在连续降温的过
结晶过程的一般规律
• 形核 • 长大
形核、长大
形核和（晶核）长大的过程动态演示：
液态金属
形核
长大
完全结晶
• （结构条件：晶胚临界形核半径晶核 ） • 稳定存在的晶核：自发形核、非自发形核
晶核的形成
• 从液态金属中产生晶核一般有两种形式，一种是均 质形核(自发形核)，另一种是异质形核非自发形核)。 实际金属结晶时，大多数是以异质形核的方式进行的。
如右图，液体、晶体的原
子结构不同，所以，其自由能
G随温度T的变化也不同。
自 由
T↑ G↓；
能 G
但GL↓＞GS↓， 交点T0
GL GS
ΔG＝GL－ GS ΔT
当Tn＜T0时 ΔG=GL-GS L →S晶
Tn
T0 温度T
当Tn＞T0时 ΔG=GS-GL S晶→L 无驱动力，如平面上
当Tn＝T0时 ΔG=0 S晶L 的球、等温的两物体
的原子集团，在足够的过冷度条件下，这些原子集 团变成规则排列，并稳定下来而成为晶核，这一过 程即为均质形核； • 而以金属液相中已存在的固相质点和表面不光滑的 器壁作为形成核心的“依托”发展成为晶核的过程， 称为非均质形核。由于钢液的内部含有熔点不同的 杂质，因此钢液的结晶主要为非均质形核。实践证 明，均质形核需要很大的过冷度，而非均质形核需 要的过冷度很小，只要过冷度达到20℃就能形成晶 核。
r>r*时，随晶胚长大，系统自由能降低， 凝固过程自动进行。
• 晶核形成的形式: *自发形核（均质形核） △T =200℃ *非自发形核（异质形核）△T =20℃
利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度
的测量，这种测量方法称为“热分析法”。此法是将被
测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，
冷速越慢，过冷度ΔT就越小，测得的实际结晶温度
就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时
间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图
所示的“冷却曲线”。 T
金属的结晶热力学条件
一、结晶的基本概念
（一）凝固与结晶： 凝固 L→S 的过程 （由液态转变为固态的过程） 结晶 L→S晶的过程 （由液态转变为固态的过程） “一次结晶”、“二次结晶”
晶体
（二）理论结晶温度：
凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温 度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温 度就称为理论结晶温度 。T0符号 。