晶核的形成和长大
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第六讲晶核的长大
第五节晶核长大
一、主要内容:
液固界面的微观结构
晶体的长大机制
液固界面前沿液体中的温度梯度
晶体生长的界面形状-晶体形态
长大速度
晶粒大小的控制
二、要点:
液固界面的微观结构,光滑界面,粗糙界面的概念,杰克逊因子,不同金属结晶时的液固界面,晶体的长大机制,二维晶核长大机制,螺型位错长大机制,垂直长大机制,
液固界面前沿液体中的温度梯度,正温度梯度,负温度梯度。晶体生长的界面形状,晶体形态,树枝晶,等轴晶,长大速度,晶粒大小的控制
三、方法说明:
通过对液固界面的微观结构的讨论,说明金属型界面和非金属型界面的不同,结晶后的晶界相界的形态也不同,即晶粒的形状不同,晶粒的形状和大小对金属的性能有直接影响。液相中的温度梯度对金属的生长速度和生长方式有直接的影响,通过以上的讨论使学生对如何判断金属中的相,和如何得到所需的晶粒大小和形状有一个清楚的认识。
授课内容:
形核之后,晶体长大,其涉及到长大的形态,长大方式和长大速率。长大形态常反映出凝固后晶体的性质,而长大方式决定了长大速率,也就是决定结晶动力学的重要因素。
晶核长大的条件:第一要求液相能不断的向晶体扩散供应原子,
第二要求晶体表面能够不断的牢固的接纳这些原子。
晶核长大需要在过冷的液体中进行,但是需要的过冷度要比形核时的小。
一、固液界面的微观结构
液固界面的微观结构分为两类:光滑界面和粗糙界面
1、光滑界面:如图,在界面的上部,所有原子都处于液体状态,在界面的下部所有的
原子都处于固体状态。这种界面通常为固相的密排面,呈曲折的锯齿状又称为小平面界面。
2、粗糙界面:如图,从微观尺寸看这种界面是平整的,当从原子的尺度看这种界面是
高低不平的,液固界面的原子犬牙交错的分布着,所以又叫非小平面界面。
3、如果界面上有近0%或100%的位置为晶体原子所占有,则界面是光滑界面。
界面自由能的变化可用公式表示:
二、晶体长大机制
1、二维晶核长大机制
光滑界面时晶体的长大只能依靠二维形核机制方式长大。
2、螺型位错长大机制
晶体长大时,难免形成缺陷。实际上,具有光滑界面的晶体是以这种方式长大的,比二维机制方式长大快得多。
3、垂直长大机制
垂直长大速度很快,大部分金属晶体均以这种方式长大。
三、固液界面前沿液体中的温度梯度
1、正温度梯度:是指液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
2、负温度梯度:是指液相中的温度随至界面举例的增加而降低的温度分布状况,
四、晶体生长的界面形状-晶体形态
晶体的形态问题是一个十分复杂而未能彻底解决的问题。
1、在正的温度梯度下生长的界面形态:
光滑界面结晶的晶体,若无其它因素干扰,大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体,具有规则的几何外形。
粗糙界面结构的晶体,在正的温度梯度下成长时,其界面为平行于熔点等温面的平直界面,与散热方向垂直,从而使之具有平面状的长大形态,可将这种长大方式叫做平面长大方式。
2、在负的温度梯度下生长的界面形态
粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长成树枝晶体。主干叫一次晶轴或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。
对于光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时,如果杰克逊因子α不太大时可能生长为树枝晶,如果杰克逊因子α很大时,即使在负的温度梯度下,仍有可能形成规则形状的晶体。
五、长大速度
晶体长大的要点:
1、具有粗糙界面的金属,其长大机理为垂直长大,长大速度快,所需过冷度小。
2、具有光滑界面的金属化合物,亚金属或非金属等,其长大机理可能有两种方式,其
一是二维晶核长大方式,其二是螺型位错长大方式,它们的长大速度都很慢,所需
过冷度较大。
3、晶体成长的界面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关,在正的温度梯
度下长大时,光滑界面的一些小晶面互成一定的角度,呈锯齿状,粗糙界面的形态
为平面界面呈平面长大方式。在负的温度梯度下长大时,一般金属和亚金属的界面
都呈树枝状,只有那些α值较高的物质仍保持着光滑界面形态。
六、晶粒大小的控制
晶粒的大小叫晶粒度。
在常温下晶粒越细小,强度和硬度则越高,同时塑性和韧性也越好。
生产上控制晶粒度的大小,常采用以下几种方法:
1、控制过冷度
在一般金属结晶时的过冷度范围内,过冷度越大,晶粒越细小。
2、变质处理
变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂(又称变质剂),促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。
3、振动、搅拌
将凝固着的金属进行振动或搅拌,一方面是靠从外部输入能量促进进和提前形成,另一方面是使成长中的枝晶破碎,使晶核数目增加,这已成为一种有效的细化晶粒组织的重要手段。第六节金属铸锭的组织与缺陷
一、内容:
铸锭三晶区的形成
铸锭组织的控制
铸锭缺陷
二、说明:
通过上几节课的学习,对实际金属铸锭的结晶过程及组织特点进行分析说明,对以上学到的知识起到一个巩固的作用。
授课内容:
一、铸锭三晶区的形成
二、铸锭组织的控制
三、铸锭缺陷
作业:
1、分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
2、今欲获得全部为细等轴晶粒的铸件,你知道有哪些方法?并请说出各种方法的基本原理。