晶核的形成和长大

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。