液态金属结晶的基本原理

第六章 液态金属结晶的基本原理

1、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？ 答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。 金属结晶属一种相变过程：

热力学条件即过冷度T ∆——驱动力V G ∆

动力学条件：克服能障 热力学能障——界面自由能——形核 动力学能障——激活自由能A G ∆——长大

若在体系内大范围进行，则需极大能量，所以靠起伏，先生核——主要克服热力学能障，然后出现最小限度的过渡区“界面”，此界面逐渐向液相内推移——长大（主要克服动力学能障）。

2、试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、 生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？

答：（1）T

L T G r r LC V LC ∆=∆==0

*

*22σσ非均

相等 但334r V π=均 ()θπf r V 3

34=非 ()4c o s c o s 323θθθ+-=f

∴ 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。

（2）2203

*316T

L T G LC ∆⋅=∆πσ均

()θf G G *

*均非

∆=∆ 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。

（3）右图看出 ↑∆↑→*

非

T θ ()↓∆↓→↓→T V f 非θ

即：对*r ：θ与*

非T ∆的影响.

（4）生核功：

()θπσf T

L T G LC

2203

*316∆⋅=∆非

()↓∆↓→↓→∆↓→T *

能量起伏非

G f θ （5）纯金属非均质生核的热力学条件：

V LC G r ∆=σ2*

非

()θπσf T

L T G LC 2203

*

316∆⋅=∆非

液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 (2)衬底存在。

3、物质的熔点就是固、液两相平衡存在的温度、试从这个观点出发阐述式（4—3） 中*r 与T ∆之间关系的物理意义。

答：式4—3 T

L T G r LC V LC ∆=∆=0

*

22σσ均

当 0T T =时， 两相平衡；

当0T T <时，趋于固相：即固相教液相稳定；

式中看出 ↓↑→∆*

均

r T 。 ↑∆T 即↓T ,此时固相更稳定，更易于发生相变，就以较小的*

均r 即可稳定

存在。

4、液态金属生核率曲线特点是什么？在实际的非均质生核过程中这个特点又有何变化?

答：实际非均质生核率受衬底面积大小的影响，当衬底面积全部充满后，生核率

曲线中断，即不再有非均质生核。 相变、生核、成长中的热力学及动力学： （1）相变：

热力学条件：T ∆ ，可以提供相变驱动力V G ∆。 动力学条件：克服热力学能障和动力学能障。 （2）生核：

克服能障：热力学（界面自由能）、动力学A G ∆（作用小，对生核率影响小） （3）生长：

热力学能障：()KTi A G F V ln ->∆——取决于F A （处于过冷状态，且相变

驱动力克服此能障）

动力学能障：A G ∆

5、从原子尺度看，决定固—液面微观结构的条件是什么？各种界面结构与其生长机理和生长速度之间有何联系？它们的生长表面和生长防线各有什么特点？ 答：（1） 热力学因素：⎪⎭

⎫

⎝⎛⎪⎭⎫

⎝⎛∆≈⎪⎭⎫ ⎝⎛=

v R S v n kT L a m η00 2a 平整界面

动力学因素：大：连续生长——粗糙界面结构 ——非平衡时 k T ∆ 小：平整界面的生长——平整界面结构

（2） 粗糙界面：连续生长 k T u R ∆⋅=1 完整平整界面：二维生核k

T e

u R ∆-

=σ

2 连续生长↑↑→∆k T

非平整界面：螺旋生长，2

3k T u R ∆= 。 旋转单晶， 反射单晶。

（3） 生长方向： 粗糙界面：各向同性的非晶体单晶等，生长方向与热流

方向相平行，

平整界面：密排线相交后的棱角方向 生长表面： 粗糙界面：因是各向同性，光滑的生长表面。 平整界面：棱角分明的密排小晶面，

6、我们从什么尺度着眼讨论单晶合金的结晶过程的？它与结晶的原子过程以及最后的晶粒组织之间存在什么联系？ 答：

（1）从宏观尺度着眼讨论单相合金的结晶过程，主要是与“原子尺度”相区别

的。

（2）与结晶的原子过程之间的关系：

不同的结晶方式：平面生长→胞状生长→ 枝晶生长。 原子过程： 小面生长和非小面生长 。

任何一种生长方式都可以是小面生长或非小面生长 （3）与最后的晶粒组织之间的联系。

平面生长：单晶或无分支的柱状晶组织。

胞状生长：胞状晶——一簇为一些平行排列的亚结构。 柱状枝晶生长：柱状枝晶。

等轴枝晶生长（内生长）：等轴枝晶。

7、某二元合金相图如图所示。合金液 成分为%40=B w ，置于长瓷舟中并从左端开始凝固。温度梯度达到足以使固—液界面保持平面生长。假设固相无扩散，液相均匀混合。试求：（1）a 相与液相之间的平衡分配系数0k ；（2）凝固后共晶体的数量占试棒长度的百分之几？

（3）画出凝固后的试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线，并注明各特征成分及其位置。

解：（1）5.060

30

**

0===L S C C k

(2)根据公式

10*-=o k L L f C C %60*=L C

%4.449

4

49234.06.01215

.0==⇒=⇒=⇒=∴---L L L L

f f f f

∴共晶体占试棒长度的44.4%

（3） 0=S f %20%405.000*

=⨯==C k C S

T=500℃ %30*

=S

C

8、假设上题合金成分为%10=B w 。

（1）证明已凝固部分（S f ）的平均成分S C _

为()[]

0110_

k

S S

S f f C C --=

（2）当试棒凝固时，液体成分增高，而这又会降低液相线温度。证明液相线温