铸件成形原理第3章 晶体形核与生长

3.4 晶体生长
3.4.1 固-液界面的微观结构 3.4.2 晶体生长方式
3.4.1 固-液界面的微观结构
1.粗糙界面与光滑界面 2.界面结构类型的本质与判据 3.界面结构类型的影响因素
1.粗糙界面与光滑界面
(1) 粗糙界面 固-液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固 相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构，如图3-1 4a所示。 (2) 光滑界面 固-液界面固相一侧的点阵位置几乎全部被固相 原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光 滑的界面结构，如图3-14b所示。
3.界面结构类型的影响因素
从热力学角度来看，物质熔融熵的高低决定了其凝固界面的结 构类型。若设α=2，将η/ν=6/12=0.5［如面心立方的密排面(111)］ 代入式(3-23)整理，则单个原子的熔融熵为ΔS~m=ΔH~mTm=αk Bην=2kB×10.5=4kB。对于1mol而言，熔融熵ΔSm=4kBNA=4R 由式(3-23)可知，熔融熵ΔSm上升，则α增大，所以当ΔSm＜4R 时，界面以粗糙面为最稳定，此时晶体表面容易接纳液相中的 原子而生长。熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因此，固-液 微观界面结构究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于物质的热力 学性质。正因为如此，在不考虑晶面的情况下(或忽略η/ν)，可 直接以物质的熔融熵ΔSm的数值来粗略判断其凝固过程的固-液 界面结构［1］：ΔSm＜2R的物质为粗糙界面，ΔSm=2R~3R的 物质根据其他条件可能为光滑或粗糙界面，ΔSm更高的物质为 光滑界面。
2.冷却速度的影响
在金属液体中往往存在着形核能力不同的多种物质，其形核行 为与冷速有关。对特定性质的金属熔体而言，冷速越大则过冷 度越大，能促使非均匀形核的外来质点的种类和数量越多，非 均质形核能力越强。说明具有一定形核能力的杂质颗粒，其形 核行为与冷速有关。
3.结晶相枝晶熔断和游离的作用
在许多铸造条件下，与异质基底形核的情况类似，熔体对流或 某些外场作用可使在浇注期间形成的激冷晶或生长着的结晶相 枝晶臂熔断或折断，它们游离到熔体中，可作为新生晶粒的现 成晶核。如在钢的连铸过程中，可通过电磁搅拌等措施来获得 枝晶臂折断或熔断效应。这类方法是非常有效的，因为所产生 的晶核为同相晶体因而完全共格，也没有阻碍润湿的表面氧化 层。
铸件成形原理
第3章 晶体形核与生长
3.1 引言 3.2 液-固相变驱动力及过冷度 3.3 凝固形核 3.4 晶体生长
3.1 引言
凝固是指物质由液体转变为固体的相变过程，凝固过程的现象、 规律和基本理论既涉及多学科交叉的基础科学，又涉及应用性 极强的众多工程技术和高科技领域，尤其对金属铸件、铸锭、 焊接熔池的成形技术，以及各类新材料研究与开发具有重要意 义。严格地说，凝固包括由液体向晶态固体转变(结晶)，以及 向非晶态固体转变(玻璃化转变)两种过程方式。常用工业合金 和金属的凝固过程一般只涉及前者。结晶过程是从形核开始的， 而后通过晶体生长使得整个系统逐步由液体转变为固体。为此， 在讨论形核条件和晶体生长的影响因素及其规律之前，有必要 首先了解结晶凝固的一般过程。
2.形核率
图3-10
2.形核率
图3-11 形核速率与形核功Δ
3.均质与非均质形核的临界过冷度
图3-12 均质形核的形核率与 过冷度的关系
3.均质与非均质形核的临界过冷度
表3-2 几种金属均质形核的临界过冷度及固-
3.均质与非均质形核的临界过冷度
表3-3
3.均质与非均质形核的临界过冷度
图3-13 非均质形核、均质形核过冷度与形核率
3.3.3 非均质形核的形核条件
1.基底与结晶相的晶格错配度的影响 2.冷却速度的影响 3.结晶相枝晶熔断和游离的作用
1.基底与结晶相的晶格错配度的影响
在实际生产中，晶粒尺寸与晶核密度成反比。当需要细小晶粒 时，可将孕育剂添加到熔体中形成高度弥散的质点作为结晶相 的形核基底。作为形核基底的质点应该具备哪些性质才能够有 效地起到异质形核的作用，这关系到选择什么样的物质作为孕 育剂的主要组分。
1.动力学过冷(Kinetic Undercooling) 2.曲率过冷(Curvature Undercooling)及压力过冷(Pressure Underc ooling) 3.热过冷(Thermal Undercooling) 4.成分过冷(Constitutional Undercooling)
3.1 引言
图3-1 单相树枝晶和两相共晶组织的等轴凝固过程 a)单相树枝晶 b)两相共晶组织
3.1 引言
图3-2
3.2 液-固相变驱动力及过冷度
3.2.1 液-固相变驱动力 3.2.2 凝固过冷度
3.2.1 液-固相变驱动力
图3-3 等压条件下固、液两相的 自由能-温度曲线
3.2.2 凝固过冷度
3.3.1 均质形核
图3-8 液态金属r
T的关系
及临界过冷度Δ
3.3.2 非均质形核与均质形核的比较
1.非均质形核临界半径及形核功 2.形核率 3.均质与非均质形核的临界过冷度
1.非均质形核临界半径及形核功
图3-9 非均质形核示意图
1.非均质形核临界半径及形核功
表3-1 润湿角θ与函数f(θ)的值
1.动力学过冷
图3-4 动Biblioteka Baidu学过冷度
2.曲率过冷
在液-固平衡温度Tm下，对于平直界面(r=∞时)，原子由固相移 向液相的速度与由液相移向固相的速度是相等的。但当晶体尺 寸变小时，由于表面曲率变大，曲率半径变小，界面张力产生 的附加压力Δp以及由此而引起的附加自由能ΔG1也会随之变大， 因而液-固界面就会失去平衡。此时，固相原子移向液相比液相 原子移向固相更容易，故晶体越小，就越容易熔化。在这种情 况下，界面只有通过获得某一过冷度ΔTr，并以其体积自由能 降低(ΔG2)为驱动力来抵消这种效应，界面才能恢复平衡。ΔTr 的表达式可推导如下：从本质上来看，由于固-液界面自由能σS L的存在，固相任意曲面的曲率k引起固相内部的压力增高，这 产生了附加自由能
1.粗糙界面与光滑界面
图3-14 晶体生长两种微观界面结构类型 a)粗糙界面(Nonfaceted Interfaces) b)光滑界面(Faceted Interfaces)
(2) 光滑界面
图3-15 原子尺度及微米尺度固-液界面情况 a)光滑界面 b)粗糙界面
2.界面结构类型的本质与判据
图3-16 不同α值时相对自由能与 界面原子占据率
ΔG1=VSΔp=VSσSL1r1+1r2=VSσSLk
3.热过冷
图3-5 (图中未考虑动力学过冷及曲率过冷)
4.成分过冷
图3-6 成分过冷
3.3 凝固形核
3.3.1 3.3.2 3.3.3
均质形核 非均质形核与均质形核的比较 非均质形核的形核条件
3.3.1 均质形核
图3-7 在液相中形成球形晶胚时 的自由能变化