液态金属的结晶过程和结晶组织54页PPT
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金属的结晶ppt实用资料
2. 不均匀形核或非自发形核：
形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔 点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。
晶核：就是能真正成长为晶体的原子集团。
晶核的长大方式：金属的长大形式通常是枝晶长大（如图）
三、同素异构转变
铁的冷却曲线与同素异构转变示意图
四、金属铸锭及金属铸件
在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成 固态的，可分别得到金属铸锭（具有一定形状的金属块，通 常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件（具有特定产 品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而 直接使用）。这个过程可称为铸造。
对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶 粒区和中心等轴晶粒区 三个部分组成 。
（一） 表面细晶粒区
模壁T↓→冷却速度↑→ΔΤ↑+人工晶核（模壁） →晶粒等轴、细小、均匀。
（二）柱状晶区
随时间推移→
模 型 T↑→ 冷 却 速 度 ↓
ΔT↓形核率下 柱
降
状
晶 向模壁定向散热
晶粒定向长大
（三）中心等轴晶区
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（F）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”（ΔF） 。
金属的结晶
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 （由液态转变为固态晶体 的过程） “一次结晶”、“二次结晶”
8 液态金属的结晶
进行生核过程，亦称“异质形核”或“非自发形
5
8.2 晶核的形成 8.2.1、均质形核——定义？
1、热力学条件
液相与固相体积自由能之差--相 变的驱动力 由于出现了固/液界面而使系统增 加了界面能--相变的阻力
G G均 VGV 4 3 2 r GV 4r CL 3
2.62 0.69 1.27 1.40 6.3 7.0
27
Ni的树枝晶 （非平面生长）
丁二腈（琥珀腈）CNCH2CH2CN
28
8.3.3 晶体微观长大方式和长大速率 1、粗糙界面的生长——连续生长
特点：1）动力学过冷度很小，ΔTK＝0.01~0.05K 2）生长速度很快，R1=k1ΔTK 3）连续生长的结果晶体的表面是光滑的。
3、螺旋位错台阶长大
R3 3 Tk
2
33
8.4
纯金属的结晶
界面微观结构
8.4.1 平面方式生长
界面前沿温度梯度
S/L前沿为正的温度梯度：GL=dT/dx>0 ;
34
8.4.2 树枝晶方式生长
S/L前沿为负的温度梯度：GL=dT/dx<0
35
左边是平面生长
树枝晶
36
21
粗糙界面与光
滑界面是在原子
尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相
区别，后者尺度
在μm 数量级。
宏观与微观的区别？？？
22
8.3.2 界面结构类型的判据
如何判断凝固界面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一 晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
5
8.2 晶核的形成 8.2.1、均质形核——定义？
1、热力学条件
液相与固相体积自由能之差--相 变的驱动力 由于出现了固/液界面而使系统增 加了界面能--相变的阻力
G G均 VGV 4 3 2 r GV 4r CL 3
2.62 0.69 1.27 1.40 6.3 7.0
27
Ni的树枝晶 （非平面生长）
丁二腈（琥珀腈）CNCH2CH2CN
28
8.3.3 晶体微观长大方式和长大速率 1、粗糙界面的生长——连续生长
特点：1）动力学过冷度很小，ΔTK＝0.01~0.05K 2）生长速度很快，R1=k1ΔTK 3）连续生长的结果晶体的表面是光滑的。
3、螺旋位错台阶长大
R3 3 Tk
2
33
8.4
纯金属的结晶
界面微观结构
8.4.1 平面方式生长
界面前沿温度梯度
S/L前沿为正的温度梯度：GL=dT/dx>0 ;
34
8.4.2 树枝晶方式生长
S/L前沿为负的温度梯度：GL=dT/dx<0
35
左边是平面生长
树枝晶
36
21
粗糙界面与光
滑界面是在原子
尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相
区别，后者尺度
在μm 数量级。
宏观与微观的区别？？？
22
8.3.2 界面结构类型的判据
如何判断凝固界面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一 晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
纯金属的凝固 ppt文档
a. 液体中原子间的平均距离比固体中略大。
b. 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常 在8~11的范围内。
c. 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构 的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大， 故熔化时体积略为收缩。
金属的液态结构
• 金属结构理论认为，液体中原子堆集是密集的，但排列 不那么规则。
3.2 结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
一、结晶的过冷现象 (Undercooling phenomenon of crystallization)
纯金属液体在平衡结晶温 度Tm时，不会结晶。
温度 T
T
Tm
只有冷却到Tm以下的某个
Tn
温度才开始形核，而后长 大并放出大量潜热，使温度回升到略低 NhomakorabeaTm温度。
时间 t 图3.4 纯金属的冷却曲线
结晶完成后，由于没有潜 热放出，温度继续下降。
结晶的热力学条件
过冷度 平衡结晶温度Tm与实际温度Tn之差， T=Tm－Tn
二、结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
当T<Tm 时，由于△S的变化很小，可视为常数，所以
G V L m T T L m m L m 1 T T m L m T m T m T L m T m T
该式表明，过冷度越大，结晶的驱动力也越大。
3.3 形核规律 (Formation of Nuclei)
纯金属的凝固
3.1 纯金属的结晶过程 (Crystallization Process of Pure Metals)
b. 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常 在8~11的范围内。
c. 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构 的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大， 故熔化时体积略为收缩。
金属的液态结构
• 金属结构理论认为，液体中原子堆集是密集的，但排列 不那么规则。
3.2 结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
一、结晶的过冷现象 (Undercooling phenomenon of crystallization)
纯金属液体在平衡结晶温 度Tm时，不会结晶。
温度 T
T
Tm
只有冷却到Tm以下的某个
Tn
温度才开始形核，而后长 大并放出大量潜热，使温度回升到略低 NhomakorabeaTm温度。
时间 t 图3.4 纯金属的冷却曲线
结晶完成后，由于没有潜 热放出，温度继续下降。
结晶的热力学条件
过冷度 平衡结晶温度Tm与实际温度Tn之差， T=Tm－Tn
二、结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
当T<Tm 时，由于△S的变化很小，可视为常数，所以
G V L m T T L m m L m 1 T T m L m T m T m T L m T m T
该式表明，过冷度越大，结晶的驱动力也越大。
3.3 形核规律 (Formation of Nuclei)
纯金属的凝固
3.1 纯金属的结晶过程 (Crystallization Process of Pure Metals)
材料加工原理第4章液态金属的凝固PPT课件
15
非均质形核与均质形核时临界曲
率半径大小相同，但球缺的体积
θ '＞ θ "
比均质形核时体积小得多。所以， Δ T * " I h e " I h e '
Iho
液体中晶坯附在适当的基底界面 I
Δ T *'
上形核，体积比均质临界核体积
ΔT *
小得多时，便可达到临界曲率半
径，因此在较小的过冷度下就可 以得到较高的形核率。
核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。
8
（一）形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两 部分组成，即作为相变驱动力的液固体积自由能之差（负）和阻碍相 变的液-固界面能（正）：
G V ( G V)ASL
G3 4r3G V4r2SL
r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG* r ＞r*时，r↑→ΔG↓
25
粗糙界面与光 滑界面是在原子 尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相 区别，后者尺度 在μm 数量级。
26
（三）晶体微观长大方式和长大速率
晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的界面过冷度称为
动态过冷度，用∆Tk表示。具有光滑界面的物质，其∆Tk约为 1~2℃。具有粗糙界面的物质，∆Tk仅为0.01~0.05℃。这说明， 不同结构类型的界面，具有不同的长大方式。
粗糙界面连续长大：
V1 =K1·∆T
光滑界面螺旋长大：
V3 K3T2
光滑界面二维晶核长大：
V2K2eBT
第三章 凝固热力学与动力学
31
常见控制形核方法
增大冷却速率，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落； 采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成 的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细 小的等轴晶组织。 添加晶粒细化剂，促进异质形核；
第四章 液态金属的结晶
第四章 液态金属的结晶
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 液态金属的结晶过程 结晶的热力学条件 晶核的形成 晶体的生长 单相合金的结晶 共晶合金的结晶 液态金属的流动性及其对结晶过程的影响
第一节 液态金属的结晶过程
铸件铸态组织的形成过程的两个阶段： 铸件铸态组织的形成过程的两个阶段：
A
矛盾？ 矛盾？
过冷刚开始增加时，前一项的贡献大于后一项，生核速度随过冷度增大而增加。 过冷刚开始增加时，前一项的贡献大于后一项，生核速度随过冷度增大而增加。 当过冷大时，液体粘度增加，原子活动能力降低，生核能力降低。 当过冷大时，液体粘度增加，原子活动能力降低，生核能力降低。
1、均匀形核功及临界半径
•匀质形核必须具备4个条件： 匀质形核必须具备4个条件： 匀质形核必须具备
过冷液体中存在结构起伏，以提供固相晶核的晶坯； 过冷液体中存在结构起伏，以提供固相晶核的晶坯； 只有r>r *均的晶坯才能稳定晶核； 均的晶坯才能稳定晶核； 只有 均的晶坯才能稳定晶核 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界形核功； 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界形核功； 为维持形核功，需要一定的过冷度。 为维持形核功，需要一定的过冷度。
匀质形核动力学
另一方面，液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统 另一方面，液体中存在“结构起伏”的原子集团， 计平均尺寸 r°随温度降低（∆T增大）而增大，r°与 随温度降低（ 增大）而增大， r* 相交，交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度∆T* 相交，交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度∆ （约为0.18~0.20Tm）。 约为0.18~0.20T
SL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一， 临界形核功Δ 的大小为临界晶核表面能的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障碍。形核功由熔体中的 它是均质形核所必须克服的能量障碍。 “能量起伏”提供。因此，过冷熔体中形成的晶核是“结构 能量起伏”提供。因此，过冷熔体中形成的晶核是“ 起伏” 起伏”及“能量起伏”的共同产物。 能量起伏”的共同产物。
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 液态金属的结晶过程 结晶的热力学条件 晶核的形成 晶体的生长 单相合金的结晶 共晶合金的结晶 液态金属的流动性及其对结晶过程的影响
第一节 液态金属的结晶过程
铸件铸态组织的形成过程的两个阶段： 铸件铸态组织的形成过程的两个阶段：
A
矛盾？ 矛盾？
过冷刚开始增加时，前一项的贡献大于后一项，生核速度随过冷度增大而增加。 过冷刚开始增加时，前一项的贡献大于后一项，生核速度随过冷度增大而增加。 当过冷大时，液体粘度增加，原子活动能力降低，生核能力降低。 当过冷大时，液体粘度增加，原子活动能力降低，生核能力降低。
1、均匀形核功及临界半径
•匀质形核必须具备4个条件： 匀质形核必须具备4个条件： 匀质形核必须具备
过冷液体中存在结构起伏，以提供固相晶核的晶坯； 过冷液体中存在结构起伏，以提供固相晶核的晶坯； 只有r>r *均的晶坯才能稳定晶核； 均的晶坯才能稳定晶核； 只有 均的晶坯才能稳定晶核 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界形核功； 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界形核功； 为维持形核功，需要一定的过冷度。 为维持形核功，需要一定的过冷度。
匀质形核动力学
另一方面，液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统 另一方面，液体中存在“结构起伏”的原子集团， 计平均尺寸 r°随温度降低（∆T增大）而增大，r°与 随温度降低（ 增大）而增大， r* 相交，交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度∆T* 相交，交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度∆ （约为0.18~0.20Tm）。 约为0.18~0.20T
SL
即：临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一， 临界形核功Δ 的大小为临界晶核表面能的三分之一， 它是均质形核所必须克服的能量障碍。形核功由熔体中的 它是均质形核所必须克服的能量障碍。 “能量起伏”提供。因此，过冷熔体中形成的晶核是“结构 能量起伏”提供。因此，过冷熔体中形成的晶核是“ 起伏” 起伏”及“能量起伏”的共同产物。 能量起伏”的共同产物。
第六章液态金属结晶的基本原理
2222rrrr2222(((1(111ccccoooossss ))))
VVVV 00[[[[((((rrrrssssiiininnn))))2222]]]]dddd[[[[rrrr ((((rrrrccccoooossss)))])]]]
00
rrrr333[3[[[22223333ccccoooossss
Gv LmTSm，当TT0时，Gv 0, 故:SmL Tm 0
Gv Lm(1TT0)Lm T 0T
式中T： T0T,即过冷度
第六章液态金属结晶的基本原理
过冷度△T为金属凝固的驱动力，
过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不
可能在T＝Tm时凝固。
两相自
过冷度
由能差
GV
Lm
T Tm
潜热
第六章液态金属结晶的基本原理
晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
位置有NA个原子（
x N）A，则在熔
N
点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固
相上沉积的相对自由能变化为：
N k G T A mk L T m m x(1 x)xlnx (1x)ln (1x)
a ( 1 x x ) x lx n ( 1 x )l1 n x ) (
第六章液态金属结晶的基本原理
界面结构与熔融熵
akL Tm m (R Sm)
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。
第六章液态金属结晶的基本原理
界面结构与晶面族
➢
根据
H
a
m
kTm
➢ 当固相表面为密排晶面值高，如面心
➢ 对于非密排晶面，
（001）面， 0.33
VVVV 00[[[[((((rrrrssssiiininnn))))2222]]]]dddd[[[[rrrr ((((rrrrccccoooossss)))])]]]
00
rrrr333[3[[[22223333ccccoooossss
Gv LmTSm，当TT0时，Gv 0, 故:SmL Tm 0
Gv Lm(1TT0)Lm T 0T
式中T： T0T,即过冷度
第六章液态金属结晶的基本原理
过冷度△T为金属凝固的驱动力，
过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不
可能在T＝Tm时凝固。
两相自
过冷度
由能差
GV
Lm
T Tm
潜热
第六章液态金属结晶的基本原理
晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
位置有NA个原子（
x N）A，则在熔
N
点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固
相上沉积的相对自由能变化为：
N k G T A mk L T m m x(1 x)xlnx (1x)ln (1x)
a ( 1 x x ) x lx n ( 1 x )l1 n x ) (
第六章液态金属结晶的基本原理
界面结构与熔融熵
akL Tm m (R Sm)
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。
第六章液态金属结晶的基本原理
界面结构与晶面族
➢
根据
H
a
m
kTm
➢ 当固相表面为密排晶面值高，如面心
➢ 对于非密排晶面，
（001）面， 0.33
第二章纯金属的结晶ppt课件
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
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“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭