材料科学基础晶核的形成和成长
晶核和晶胚的名词解释
晶核和晶胚的名词解释晶核和晶胚这两个名词在晶体学中具有重要的含义和意义。
它们是研究晶体生长和结晶过程中关键的概念，对于从事材料科学和矿物学研究的学者们来说，理解这两个概念的内涵和联系具有重要的意义。
晶核是指在溶液或融体中形成初次结晶的微小晶体结构。
它是晶化过程的起点，可以说是晶体生长的基础。
晶核的形成条件要求溶液中具有过饱和度，即溶液中溶质的浓度超过了饱和浓度。
只有在过饱和的情况下，晶核才能形成。
过饱和度越高，晶核的形成速率就越快，从而导致晶体生长的速度加快。
晶核的形成可以通过两种方式实现：1. 同种物质的晶核形成；2. 异种物质的晶核引发。
同种物质的晶核形成是指溶液中存在同种物质的微小结构，这些微小结构会进一步形成晶体，如溶液中的离子或溶解度较低的物质。
异种物质的晶核引发是指在溶液中存在一种异质核心，它可以促使同种物质晶核的形成。
晶核的形成对材料的性质和结晶过程有着重要的影响，因此研究晶核的形成机制也成为材料科学领域的研究热点之一。
晶核的形成是晶体生长的第一步，而晶胚则是晶体生长的第二步。
晶胚是指晶核在过饱和度的作用下逐渐长大并形成稳定的晶体结构。
晶胚的成长是晶体结晶过程中最为重要的阶段之一，它直接决定了晶体的尺寸和形态。
晶胚的成长过程涉及到流体动力学、传质和传热过程等复杂的物理化学现象，因此对晶胚的研究也是晶体学中的一个重要课题。
晶胚的成长过程可以通过几种方式实现：1. 同质成核和同质成长；2. 异质成核和异质成长。
同质成核和同质成长是指晶核和晶胚由同种物质组成，晶胚的形态与晶核一致。
异质成核和异质成长是指晶核和晶胚由不同物质组成，晶胚的形态与晶核可能存在差异。
不同方式的晶胚成长对于晶体的形态和晶格结构都有着重要的影响。
晶核和晶胚的形成与成长过程不仅在材料科学和矿物学领域有着广泛应用，还在生命科学领域中具有重要意义。
例如，在生物体中，晶核和晶胚的形成是生长与再生的关键环节。
在海洋生物中，如贝壳和珊瑚等，晶核和晶胚的形成在生物体内部发生，从而形成坚固的外骨骼。
材料科学基础习题
第1章固体结构1．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？2．已知MgO晶体中Mg2+和O2-在三维空间有规律地相间排列，其晶体结构相当于两套面心立方点阵互相套叠在一起，晶胞常数a=b=c=4.20 ，α=β=γ=90℃,请回答:①画出MgO晶体二维和三维空间的晶体结构图.②从①的图形中抽象出MgO晶体的空间点阵图形.③从②中划分出单位空间格子,计算其结点数.④画出晶胞结构图,指出晶胞中的分子数.3．何谓元素电负性，有何意义？在元素周期表中分布规律如何？4．何谓晶格能，用途？试计算MgO晶格能。
已知：MgO属NaCl型结构，立方面心点阵N0=6.023×1023，e=4.8×10-10静电单位，r =1.32 , r =0.78 ，A=1.74765．画出MgO晶体（立方面心点阵）在（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面上的结点和离子排布图.6．立方晶系中①画出下列晶面：（0 0 1）、（1 0）、（1 1 1）②在①所画晶面上分别标出下列晶向：[2 1 0]、[1 1 1]、[1 0 ].7．在立方晶系中给出（1 1 1）面和（1 1 ）面交棱的晶棱符号.8．找出正交晶系（斜方）（P点阵）宏观对称型.9．何谓布拉维点阵？举例论证为什么仅有14种？14种布拉维点阵分属的七个晶系名称？点阵常数特点？14种布拉维点阵分为几个类型？结点数计算？10．表示晶体的宏观对称性，其特点？如何表示晶体的微观对称性，其特点？11．划分单位平行六面体应遵循那些原则？何谓晶格常数？12．何谓晶胞、原胞、单位空间格子？13．试举例说明：晶体结构与空间点阵？晶胞与单位空间格子的关系？14．什么叫离子半径？有何实用意义？什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？15．解释原子，离子配位数. 根据半径比关系，说明下列离子与O2-配位时的配位数及配位多面体的类型.r =1.32 , r =0.39 ，r =0.57 ，r =0.78 ，r =1.10 .16．胞林规则有几条？其要点是什么？应用胞林规则有何局限性？17．试用胞林规则分析MgO晶体结构.（r =0.78 ，r =1.32 ）18．运用胞林规则来解释在氧离子立方密堆体中，对于获得稳定结构各需要何种电价的离子，其中：①所有八面体间隙位置均填满.②所有四面体间隙位置均填满.③填满一半八面体间隙位置.④填满一半四面体间隙位置.19．已知：r =0.78 ，Mg的原子量为24.30，r =1.32计算：①MgO的点阵常数；②MgO的密度.20．画出闪锌矿、萤石晶胞结构在（0 0 1）面上的投影图.21．金红石的晶胞为什么不属于四方体心格子而是四方原始格子呢？而萤石的结构为什么不是立方原始格子而是立方面心格子？22．比较ThO2、TiO2、MgO结构中间隙的大小.23．简单说明下列名词的含义：反萤石结构，反尖晶石结构.24．指出下列化合物的结构类型，并改写成化学式：γ-Ca2[SiO4]、Ca2Al[AlSiO7]、CaMg[Si2O6]、Mg3[Si4O10](OH)2、K[AlSi3O8].25．高岭石、叶腊石和云母具有相似的结构，画出它们的结构草图，说明它们结构的区别及由此而引起的性质上的差异.26．下列物质的结构式，化学组成式写成相应的化学组成式和结构式：a) Al2O3·2SiO2·2H2O; ②2CaO·5MgO·8SiO2·H2O;③CaMg[Si206]; ④Na[AlSi3O8]27．说明高岭石、叶腊石和白云母结构区别及由此引起的性质上差异.28．在层状硅酸盐结构中，八面体层中的Al3+可以取代四面体层中的Si4+、而四面体层中的Si4+从来不会置换八面体层中的Al3+为什么？已知：r =1.40 , r =0.40 ，r =0.53 .29．青石2MgO·2Al2O3·5SiO2具有与绿柱石Be3Al2[Si6O8]类型结构，写出它的结构式，并指出它是由绿柱石进行怎样的离子置换而得来的？30．α—方石英属立方晶系，面心立方点阵，a=7.05 ，请a) 画出晶胞在（0 0 1）面上的投影图，注明各离子相对标高。
同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
同素异构转变过程也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
同素异构转变过程指的是同一种化学物质在不同的结构形式下发生变化的过程，通常是由于外界条件（如温度、压力等）的改变而引起的。
在化学结构上，同素异构体是指具有相同分子式但结构不同的物质，它们的性质和化学反应也各不相同。
同素异构转变过程是一个复杂的过程，涉及到多种因素的影响和相互作用。
首先是晶核形成过程，晶核是由化学物质中的一些分子聚集而成的微小结构，它是同素异构转变的起始点。
晶核的形成通常受到温度、溶质浓度、溶剂性质等因素的影响，这些因素会影响晶核的形成速率和数量。
温度的变化会影响分子活性和运动速率，从而影响晶核的形成速率；溶质浓度的变化会改变溶质与溶剂之间的相互作用，从而影响晶核的形成数量和分布；溶剂性质的变化则会影响溶质分子在溶剂中的分子排列，从而影响晶核的形成位置和方向。
其次是晶核的长大过程，晶核长大是同素异构转变的关键步骤。
晶核的长大受到晶体生长速率、晶体形态和晶体结构等因素的影响。
晶体生长速率受到外界条件和溶液中溶质浓度的影响，溶质浓度的增减会影响晶核长大的速率和方向；晶体形态受到晶体生长速率和晶体结构的影响，不同的晶体结构和生长速率会导致不同的晶体形态和晶界结构。
在同素异构转变过程中，晶核形成和晶核长大的规律是相互关联的，它们的变化会相互影响，从而影响同素异构转变的进行。
无论是晶核的形成还是晶核的长大，都受到多种因素的影响，这些因素的变化会导致晶体结构和性质的变化。
因此，在研究同素异构转变过程时，需要综合考虑这些因素的影响，从而更准确地描述和预测同素异构转变的规律和过程。
同素异构转变过程是一个重要的化学现象，它在材料科学、化学工程等领域都有着重要的应用价值。
通过对同素异构转变过程的研究，可以揭示物质结构和性质之间的关系，为材料设计和合成提供理论基础和技术支持。
同时，对同素异构转变过程的深入理解也有助于优化化学工艺，提高生产效率和产品质量。
因此，加强对同素异构转变过程的研究，有助于推动化学和材料科学的发展，促进科技创新和产业升级。
材料科学基础重点知识
《材料科学基础》重要知识点1、在离子晶体中，正、负离子的配位数大小由结构中正、负离子半径的比值决定。
2、聚合物的形成过程是分化和缩聚同时进行的一种动态平衡过程。
3、硅酸盐熔体的结构特点：多种聚合物同时并存，而不是一种独存。
正是由于这个特点，硅酸盐熔体的结构是长程无序的。
但每一个聚合体又是具有晶体结构的，即硅酸盐熔体中存在短程有序的负离子团。
4、影响聚合物聚合程度的因素（1）温度的影响：随温度升高，低聚合物浓度增加，而高聚合物浓度降低。
（2）熔体组成的影响：R为O/Si比的大小。
O/Si比R越大，低聚合物浓度越大，高聚合物浓度越小。
5、影响熔体粘度的主要因素是温度和化学组成。
粘度---温度关系：温度升高，粘度减小。
粘度—组成关系（1） O/Si比：硅酸盐熔体的粘度首先取决于硅氧四面体网络的聚合程度，即随O/Si比的上升而下降。
(2)一价碱金属氧化物①加入碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）降低硅酸盐熔体的粘度。
②碱金属氧化物的含量越高，硅酸盐熔体的粘度越小。
③不同的碱金属氧化物对粘度的影响大小也与碱金属氧化物的含量有关。
当Ｒ2O含量较低时（O/Si较低），加入的正离子半径越小，降低粘度的作用越大，其次序是：Li＋>Na＋>Ｋ＋>Rb＋>Cs＋。
当熔体中Ｒ2O含量较高（O/Si比较高）时，Ｒ2O对粘度影响的次序是Li+<Na+<Ｋ+。
（3）二价金属氧化物：二价碱土金属氧化物（ⅡA族）一般降低硅酸盐熔体的粘度。
但不同的氧化物降低粘度的程度不同，其降低粘度的次序是：Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Ｍg2+，所以粘度大小次序为：Ba2+<Sr2+<Ca2+<Ｍg2+。
（4）阳离子配位数：阳离子配位数对粘度的影响是通过B2O3的研究而取得的。
①当B2O3含量较少（即Na2O/B2O3>1）时，粘度随含量升高而增加。
这是因为此时“游离”氧充足，故B3＋处于[BO4]四面体状态，结构紧密。
武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案-第二套试题
武汉理工大学《材料科学基础》考试试卷第二套试卷一、填空题（共20分，每个空1分）1、材料按其化学作用或基本组成可分为（）、（）、高分子材料、复合材料四大类。
2、晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体（）和（）的重复单元。
3、热缺陷形成的一般规律是：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成（）缺陷；当晶体中剩余空隙较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生（）缺陷。
4、根据外来组元在基质晶体中所处的位置不同，可分为（）固溶体和间隙型固溶体：按照外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为（）固溶体和有限固溶体。
5、硅酸盐熔体中，随着Na2O含量的增加，熔体中聚合物的聚合度（），熔体的粘度（）。
6、当熔体冷却速度很快时，（）增加很快，质点来不及进行有规则排列，晶核形成和晶体长大难以实现，从而形成了（）。
7、粉体在制备过程中，由于反复地破碎，所以不断形成新的表面，而表面例子的极化变形和重排，使表面晶格（），有序性（）。
8、非稳态扩散的特征是空间仟意一点的（）随时间变化，（）随位置变化。
9、动力学上描述成核生长相变，通常以（）、（）、总结晶速率等来描述。
10、温度是影响固相反应的重要外部条件。
一般随温度升高，质点热运动动能（），反应能力和扩散能力（）。
二、判断题（共10分，每个题1分）1、（）位错的滑移模型解释了晶体的实际切变应力与晶体的理论切变强度相差悬殊的内在原因。
2、（）空位扩散机制适用于置换型固溶体的扩散，3、（）一般来说在均匀晶体中引入杂质，都将使扩算系数增加4、（）-般来说，扩散粒子性质与扩散成指性质间差异越大，扩散系数也越大。
5、（）成核生长相变中晶体的生长速*与界面结构和原子迁移密切相关，当析出晶体和熔体组成相同时，晶体长大由扩散控制。
6、（）对于许多物理或化学步骤综合而成的在相反应中，反应速度由反应速度最快的步骤控制。
7、（）在烧结过程中，发生的初次再结晶使大鼎粒长大而小晶粒消失，气孔进入晶粒内部不易排出，烧结速度降低甚至停止。
材料科学基础复习要点
《材料科学基础》复习要点一、主要内容1. 工程材料中的原子排列（1）原子键合，工程材料种类；（2）原子的规则排列：晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
（3）原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。
2. 固体中的相结构（1）固溶体：分类、性能及影响固溶度的因素；（2）金属间化合物：分类、性能及特征；（3）陶瓷晶体相：分类、结构、性能及特征；（4）玻璃相：性能、特征及形成条件。
3. 凝固与结晶（1）结晶的基本规律；（2）结晶的基本条件；（3）晶核的形成：形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；（4）晶体的长大：长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；（5）凝固理论的应用。
4. 二元相图：（1）相图的基本知识；（2）二元匀晶相图、共晶相图及包晶相图：二元合金的平衡凝固及非平衡凝固，凝固过程中的成分变化及偏析，成分过冷与固溶体组织，共晶体形成机理及其形态，杠杆定律；（3）二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用；（4）Fe-C相图分析及平衡凝固；（5）铸锭组织与偏析。
5. 材料中的扩散：（1）扩散定律及其应用；（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；（3）扩散的热力学理论；（4）反应扩散。
6. 塑性变形：（1）单晶体的塑性变形；（2）多晶体的塑性变形；（3）合金的塑性变形；（4）冷变形金属的组织与性能。
7. 回复与与结晶：（1）冷变形金属在加热时的变化；（2）回复：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（3）再结晶：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（4）再结晶后晶粒长大：机制，热力学，动力学，应用及组织控制，影响因素；（5）金属的热变形，超塑性。
二、参考书目1. 《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，20002. 《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社20033. 《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，20004. 《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998《材料科学基础》复习纲要重要概念-键合、工程材料-晶体、非晶体、各向异性-点阵、晶体结构、晶胞、晶系、布拉菲点阵、晶面指数、晶向指数、晶面族、晶向族-晶格常数、晶胞原子数、配位数、致密度、间隙-堆垛、密排面、密排方向、堆垛次序、堆垛方向-缺陷、点缺陷、刃位错、螺位错、混合位错-柏氏矢量、滑移矢量-位错密度-滑移、攀移、交滑移、交割、割阶、扭折、塞积-位错应力场、应变能、线张力、位错线上的力-位错增殖、位错源-全位错、不全位错、堆垛层错、位错反应-晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孪晶界-相、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体-金属间化合物、玻璃相-凝固、结晶、短程有序、长程有序-结构起伏（相起伏）、能量起伏、成分起伏-过冷度、形核过冷度、动态过冷度、临界过冷度、有效形核过冷度-均匀形核、非均匀形核、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率-光滑界面、粗糙界面、垂直长大、横向长大、温度梯度、树枝状-平衡转变（结晶）、非平衡转变（结晶）、正常凝固-匀晶、共晶、包晶、共析、包析、脱溶转变-平衡分配系数、有效分配系数-微观偏析（枝晶偏析）、宏观偏析-亚共晶、共晶、过共晶、伪共晶、离异共晶、非平衡共晶、包晶转变不完全性-铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体、工业纯铁、钢、铸铁-液相线、固相线、液相面、固相面、中间面、液相平均成分线、固相平均成分线-浓度三角形-垂直截面、水平界面、投影图-扩散、空位扩散、间隙扩散、稳态扩散、非稳态扩散-扩散系数、扩散激活能、扩散通量、迁移率-上坡扩散、反应扩散-滑移、滑移线、滑移带、滑移方向、滑移面、滑移系、临界分切应力、取向因子、吕德斯带-柯氏气团、屈服、应变时效-细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化、加工硬化-纤维组织、带状组织、流线、位错胞、变形亚结构、织构-回复、再结晶、晶粒长大-低、中、高温回复，多边化，去应力退火-再结晶温度、再结晶退火-临界变形度、热蚀沟、再结晶图-动态回复、动态再结晶，热变形-复合材料、基体、增强体、界面各章知识要点一、工程材料中的原子排列§1.1 原子键合• 原子键合的种类、特点、典型例子• 工程材料的分类及其主要键合类型• 键合的多重性§1.2 原子的规则排列• 晶体的特点、晶体结构、点阵• 晶系、布拉菲点阵• 晶面指数、晶向指数（标定和作图）及其特点，晶面族、晶向族• 晶面间距• 典型金属结构（fcc、bcc、hcp）（晶胞原子数、点阵常数、配位数、致密度）（间隙种类及其特点）（堆垛方式）• 多晶型性、同素异晶转变• 陶瓷晶体结构（离子键晶体、共价键晶体）（结构规则、不等径刚球密堆原理）§1.3 原子的不规则排列• 缺陷的种类• 点缺陷的种类• 空位的平衡浓度• 点缺陷对晶体性能的影响• 位错的类型、特点• 柏氏矢量（柏氏回路）• 位错的运动方式、特点• 位错的力学性能（应力场、畸变能、位错线上的力、线张力）• 位错的交互作用（位错与点、线、面缺陷的交互作用）• 位错增殖• 实际晶体中的位错（全位错、不全位错、单位位错、部分位错、堆垛层错、弗兰克位错、肖克来位错）• 位错反应• 面缺陷（类型及其结构模型、界面能、界面的特点）二、固体中的相结构§ 2.1 固溶体-固溶体的概念、分类-影响固溶度的因素-固溶体的均匀性-固溶体的性能§ 2.2 金属间化合物-化合物的概念、分类-化合物的性能§ 2.3 陶瓷晶体相-陶瓷的概念、特征§ 2.4 玻璃相-陶瓷的概念、形成条件三、凝固§ 3.1 金属结晶的基本规律-微观规律（形核、长大、）-宏观规律（过冷）§ 3.2 金属结晶的基本条件-热力学条件（ΔG < 0、ΔT ）-动力学条件（形核：结构条件、能量条件、成分条件）（长大：速度条件）§ 3.3 晶核的形成-形核的方式（均匀形核、非均匀形核）-结晶时的体系能量变化-形核的驱动力和阻力-临界晶核的概念-临界晶核半径及其计算-临界形核功及其计算-形核率（概念、影响因素、特点）-两种形核方式的比较§3.4 晶体的长大-液固界面的微观结构-晶体的长大机制-温度梯度-晶体长大的形态§3.6 凝固理论的应用-铸锭晶粒组织及其控制-单晶体的制备-定向凝固-非晶合金的制备-微晶合金的制备四、相图§ 4.1 相、相平衡及相图制作-相的定义-相平衡的定义-成分的表示方法（质量分数、摩尔分数）-相图的制作方法§ 4.2 匀晶相图-相图分析-成分变化（平衡、非平衡）（微观偏析、宏观偏析）-成分过冷（概念、形成原因）-固溶体形貌§ 4.3 共晶相图-相图分析-共晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-共晶形成机理（形核机理、长大机理）-共晶体形貌特征（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.4 包晶相图-相图分析-包晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-包晶形成机理-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.5 其它相图-相图分析方法、步骤-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.6 Fe-C相图-相图分析-典型合金的平衡结晶过程-成分变化-典型合金的名称-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.8 铸锭组织与偏析-偏析的类型§ 4.9 三元合金相图-成分表示法（浓度三角形）-三元匀晶相图（立体图、投影图）-三元匀晶相图（垂直截面、水平截面）-三元匀晶相图平衡结晶过程-简单三元共晶相图（立体图、投影图）-简单三元共晶相图（垂直截面、水平截面）-简单三元共晶相图平衡结晶过程五、材料中的扩散§5.1 扩散定律及其应用-扩散第一定律及其应用条件-扩散第二定律及其应用条件§ 5.2 扩散的微观机理-扩散的微观机理-原子热运动对扩散的影响-晶态、非晶态化合物中的扩散§ 5.3 扩散的热力学理论-扩散的驱动力-上坡扩散（概念、诱因）-扩散系数§ 5.4 反应扩散-反应扩散（概念、特点）陶瓷的概念、特征§ 5.5 扩散的影响因素-影响因素及其机理六、塑性变形§ 6.1 应力－应变曲线-工程应力应变曲线、真应力应变曲线及二者差别-强度及塑性指标，硬化系数§ 6.2 单晶体的塑性变形-滑移现象（滑移线、滑移带、滑移特征）-滑移系-临界分切应力-滑移的微观机理-晶体的转动、多滑移、交滑移及滑移线形貌-孪生的概念、特点§ 6.3 多晶体的塑性变形-位向差及晶界对塑变的影响-细晶强化机理、特征-霍尔－配奇公式§6.4 合金的塑性变形-固溶强化机理-屈服及应变时效-复相强化机理及特征-弥散强化机理§ 6.5 冷变形金属的组织和性能-组织变化（显微组织、变形亚结构、变形织构）-能量变化（内应力、畸变能）-力学性能（加工硬化）-物理、化学性能变化七、回复与再结晶§ 7.1 加热时的变化-显微组织变化-能量变化-力学性能变化-物理、化学性能变化§ 7.2 回复-回复机制-回复热力学-回复动力学-回复应用§ 7.3 再结晶-再结晶机制（形核机制、长大机制）-再结晶热力学-再结晶动力学-再结晶温度及其影响因素-再结晶组织及其影响因素§ 7.4 再结晶后晶粒长大-长大方式-晶粒长大（特征、热力学、动力学）-晶粒长大影响因素-再结晶应用八、固态相变-固态相变的分类九、复合效应与界面-复合材料定义、分类-复合材料的构成、各部分的作用-复合效应-界面结合种类热处理改变钢的性能的原因是因为采用不同的加热、保温、冷却方式使钢内部结构发生改变，从而获得所需性能。
材料科学基础-第6章塑性变形2
Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses introduced during deformation without reducing the strength of the coldworked material. Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working. Grain growth - Movement of grain boundaries by diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.
Section 6.3 回复与再结晶
经过冷塑性变形的材料，空位、 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增 产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态， 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 在常温下，由于原子的活动能力较弱， 在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难 这种变化极为缓慢。如果温度升高， ，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的 活动能力，扩散速度显著增加，那么， 活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会 由亚稳定状态向稳定状态转变， 由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和 性能的变化。 性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况， 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
材料科学基础一 3-1
在工业上增加过冷度是通 过提高冷却速度来实现的。 如采用导热性好的金属模； 加冷铁；在模外强制冷却 等。
2. 变质处理
在浇注之前向液态金属中加入某些难熔的固 体颗粒，以显著地增加晶核的数量，使晶粒 细化，这种方法称为变质处理。加入的难熔 杂质叫变质剂。
如：往铝及铝合金中加入锆和钛；
负温度梯度下纯金属的树枝状生长
如果界面某处偶然伸 入液相，则进入了温 度梯度更大的区域， 以更大的生长速率生 长，伸入液相中形成 一个晶轴。由于晶轴 结晶时向两侧液相中 放出潜热，使液相中 垂直于晶轴的方向又 产生了负温度梯度， 于是产生二次晶轴， 同理又会长出三次晶 轴等等。该生长方式 称为树枝状生长。
粗糙界面是指微观上高低不平，存在厚度为几 个原子间距的过渡层的液-固界面。这种界面 在微观上是粗糙的，从宏观上看界面是平整光 滑的，因此又称非小平面界面。
3.4.2 晶核的长大机制
晶核长大也需要过冷度 ，长大所需的界面过冷 度称为动态过冷度，用ΔTk 表示。具有光滑界 面的物质，其ΔTk约为1~2 °C；具有粗糙界面 的物质，其ΔTk约为0.01~0.05 °C；
可以长大。
(3)当r=rc时，晶坯的长大趋 势等于消失趋势。此时晶坯 称为临界晶核， rc称为临界 晶核半径。
(1) 临界晶核半径的计算
令
dG 0 dr
，则求出rc的值为：
rc
2
GV
将
GV
Lm
T Tm
代入上式可得：
rc
2TmLm Tຫໍສະໝຸດ 结论：上式表明rc 1/ΔT，即随过冷度增加，临界晶 核半径减小，形核的几率增加。
3.4.1 液-固界面的微观结构
晶核长大是液-固界面两侧原子迁移的过程。界 面的微观结构必然影响晶核的长大方式。液-固 界面的微观结构可分为光滑界面和粗糙界面。
材料科学基础第6章 习题课
材料科学基础
第六章 习题课
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一、主要内容
基本要求： 明确结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件； 了解过冷度在结晶过程中的意义； 均匀形核与非均匀形核的成因及在生产中的应用；均匀形核时临 界晶核半径和形核功的计算； 明确晶体的长大条件与长大机制； 界面的生长形态取决于液/固界面的结构及界面前沿相中的温度 梯度； 能用结晶理论说明生产实际问题，如晶粒细化工艺、单晶体的制 取原理及工艺、定向凝固技术等。 基本概念及术语：结晶与凝固、近程有序、远程有序、结构起伏、 能量起伏、过冷度、理论结晶温度、实际结晶温度、均匀形核、 非均匀形核、晶胚、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率、生 长速率、光滑界面、粗糙界面、正温度梯度、负温度梯度、平面 状长大、树枝状长大
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7. 若液固界面粗糙界面时，晶体长大的方式是：( )
A、 垂直长大
B 、晶体缺陷处长大 C 、二维晶核长大 8. 金属液体在凝固时产生临界晶核半径的大小主要取决于： ( ) A、 表面能 B 、凝固释放热 C 、过冷度
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9. 冷却曲线上的平台温度是系统向外界散失热量与结晶潜热 补偿温度热量相等的温度，因此：( ) A、平台温度就是金属熔点，为一常数 B 、平台温度与冷却速度有关，冷速越大，平台温度越低
1.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如
何？ 根据自由能与晶坯半径的变化关系，可以知道r<r*的晶胚 不能成核；r>r*的晶胚才有可能成核；
界晶核。其物理意义是，过冷液体中涌现出来的短程有序
的原子团，当其尺寸r>r*时，这样的原子团便可成为晶核 而长大。临界晶核半径r*，其大小与过冷度有关。
材料科学基础第一节晶核的形成和成长
即T Gk形核功小，易于形核。
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rk
2
GV
Ak(rk)2
16GV22
Gk
163Tm2
3(LmT)2
1Ak
3
说明
L-S的体积自由能差可补偿临界 晶核所需表面能的2/3，而另外1/3 则依靠液体中存在的能量起伏来 补偿
才能生长沿着台阶侧向生长的方向。当原子
铺满了这一单原子层时生长即暂时停止，等
到表面再产生新台阶再继续生长；但当晶体
表面存在有螺型位错便能源源不断地提供生
长台阶。
（3）
ΔHƒ kTe
≈10
生长速度很慢只能靠在液固界面上不断地
二维形成才得以生长，这类材料的凝固过程， 很大程度地取决于形核速度而不是生长速度。
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铸态组织，提高金属制品的性能有重要 的指导作用，而且也有助于理解金属及 合金的固态相变过程。
合金在极快冷速下可呈非晶态； 玻璃的凝固为非晶态；热固性塑料、橡 胶冷凝后为非晶态；热塑性塑料有些为 非晶态，有些为部分晶态。材料的凝固 与气相沉积是目前制备材料的两种主要 类型。
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●纯金属的凝固
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保持平面状而会形成许多伸向液 体的结晶轴。
（1）对于粗糙界面结构的金属 晶体，以树枝状方式生长。
（2）对于光滑界面结构的晶体， 仍以平面生长为主，某些具有小 平面的树枝状结晶特征。
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第三节 固溶体合金的凝固
一、合金凝固的三种典型情况 1、平衡凝固
平衡分配系数：
K0
CS CL
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●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时 聚时散，此起彼伏。
材料科学基础第三章
• 以σLW，σSW和σSL分别表示液体与基底W， 晶胚S与W和S与液相L之间的界面能。在纯
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶核 稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
第60页，共60页。
• 规则排列结构比无规排列结构稳定。在过冷 液体中，短程有序结构越大越稳定，而稳定 结构才可能成为晶核。因此称过冷液体中尺 寸较大的近程规则排列结构为晶胚。
• 不同温度下的最大晶胚尺寸(rmax)不同，而且 液体过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚 尺寸也越大。
第60页，共60页。
第60页，共60页。
• 单位体积自由能变量ΔGB与过冷度变量ΔT的 关系：
• ΔGB=GL-GS=(HL-HS)-T(SL-SS) • H此L：-HSS=L-LSmS(=熔Lm化/T潜m热); T=Tm时, ΔGB=0。因 • 当常T数<，Tm则时：，因为SL-SS的变化很小，可视为
• ΔGB=Lm(1-T/Tm)=LmΔT/Tm
(3-20)
• 与均匀形核功ΔG(式3-9)相比，此式多一项 系数： (2-3cosθ+cos3θ)/4
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• 讨论： • 当θ=0时，ΔG’=0，此时固体杂质相当于现
成的核，结晶不需要形核功； • 当θ=π时，ΔG’=ΔG，此时固体杂质不起促
进晶胚成核作用； • 一般情况下，θ在0º~180º之间，ΔG’<ΔG。
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材料科学基础试题及答案
金属中常见的晶格类型有哪三种；1、体心立方晶格2、面心立方晶格3、密排立方晶格金属有铬、钨、钼、钒、及&铁属于（体心立方晶格）金属有铜、铝、银、金、镍、y铁属于（面心立方晶格）金属有铍、镁、锌、钛等属于（密排立方晶格）金属的晶体缺陷：按照缺陷的几何特征，一般分为以下三类：1.空位和间隙原子（点缺陷）2.位错（线缺陷）3.晶界和亚晶界（面缺陷）一般来说，在常温下细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。
工业中常用以下方法细化晶粒1.增加过2.变质处3.附加振动4.降低浇注速度1.铁素体(F)碳溶入&铁中的间隙固溶体称为铁素体，2.奥氏体（A）碳溶入y铁中的间隙固溶体称为奥氏体，3.渗碳体（Fe3C）铁与碳组成的金属化合物称为.渗碳体，第四章铁碳合金相图根据相图中S点碳钢可以分为以下几类1.共析钢（含碳量小于0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体。
2亚共析钢（含碳量等于0.0218%到2.11%）的铁碳合金，其室温组织为珠光体+铁素体。
3过共析钢（含碳量等于0.77%到2.11%）的铁碳合金，其室温组织为+二次渗碳第五章钢的热处理一般加热时的临界点用Ac1、Ac3、Accm来表示；冷却时的临界点用Ar1、Ar3、Arcm来表示。
共析碳钢的过冷奥氏体在三个不同的温度转变，可发生三种不同的转变：珠光体型转变、贝氏体型转变、马氏体型转变。
珠光体型转变有区别起见，又分为珠光体、索氏体、和托氏体三单晶体的塑性变形的方式有两种：滑移和孪生（孪晶），而滑移是单晶体塑性变形的主要方式。
多晶体的塑性变形的方式有两种：晶内变形和晶间变形。
二、填空题1．珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物共析组织)。
2．莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物(共晶组织)。
3．奥氏体在1148℃时碳的质量分数可达2.11%，在727℃时碳的质量分数为0.77%。
4. 根据室温组织的不同，钢可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。
材料科学基础简答题㈣
材料科学基础简答题㈣0116为什么结晶温度一定要低于理论结晶温度？由热力学知：状态自由能：G=H-TS，dG=VdP-SdT，等压条件下，dP=0，固dG=-SdT或者dG/dT=-S。
由于液态SL>SS，固液相自由能下降的快，所以只有当温度低于Tm时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属。
如果温度高于Tm，液态金属不能转变为固态。
固态和液态两相自由能的变化之差构成了金属结晶的驱动力。
0216为什么金属结晶时必须过冷？要获得结晶过程所必需的驱动力，一定要实际结晶结晶低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。
过冷度越大，液、固两相自由能差值越大，即相变驱动力越大，结晶速度越快。
0316结晶凝固过程包括晶体核心的形成和晶核长大。
0416金属凝固时形核方式①均匀形核：金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形成核心；②不均匀形核：依靠外来夹杂物所提供的异相界面非自发不均匀地形核。
0516形核率单位时间单位体积液相中形成的晶核数目，以N表示，单位为cm-3/s。
受两个因素控制：一方面是随着过冷度的增加，晶核的临界半径和形核功减小，易于形核；另一方面临界形核或晶核长大，必须伴随着原子向晶核迁移，即受扩散能力影响。
因此形核率可用下式表示：N=N1N2，其中，N1受形核功的影响的形核率因子，N2受原子扩散能力影响的形核因子。
两者共同作用，使N曲线出现了极大值，开始时形核率随过冷度的增加而增大，当超过极大值后，形核率又随过冷度的增加而减小。
实际金属形核率N∝e-1/ΔT2,在达到极大值之前金属已凝固完全了。
r*与r的过冷度关系曲线相交于ΔT*处，小于ΔT*时，液相中不存在具有r*大小的原子集团，因而不能形核，大于ΔT*时，液相中存在满足r*尺寸要求，而发生均匀形核。
ΔT*叫临界过冷度，也叫有效过冷度。
有效过冷度大约等于0.2Tm(K)。
0616非均匀形核的形核率决定因素1.过冷度：过冷度越大，非均匀形核率也越大，与均匀形核对比，相同的形核功，非均匀形核需要更小的过冷度；相同的过冷度，需要更低的形核功。
材料科学基础-第3章凝固原理
–
Chapter 3 – Principles of Solidification 凝固原理
Chapter Outline
3.1 金属结晶的条件和一般过程 3.2 晶核的形成(Nucleation) 3.3 晶体的长大(Growth) 3.4 晶粒大小及其控制
物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是 指物质状态的变化，并不考虑固态的结构。只有物质从液 态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义 的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种 规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属 （晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一 次结晶，后者称为二次结晶或重结晶。它们都属相变过程。
3.2.1 均匀形核
3.形核功（Critical nucleation power）
能够形成临界晶核所需要的最小自由能增量——形核功ΔGc。
当r=rc时，ΔG=ΔGc，则
163
Gc3Gv2
163Lm 3T 2m21T2
ΔT越大， ΔGc越小。由于原子的热运动会引起能量起伏，晶内 所有原子的能量起伏，会使局部区域的能量达到形核功的水平，
Solid-state phase transformation - A change in phase that occurs in the solid state.
Rapid solidification processing - Producing unique material structures by promoting unusually high cooling rates during solidification.
造成形核的条件。临界晶核的总表面积Ac=4πrc2
第9讲材料凝固时晶核的形成和晶体的生长
第九讲材料凝固时晶核的形成和晶体的生长1.均匀形核考点再现：对于临界晶核半径的推导在09年出国一道简答题，分值大概在8分左右，而在08年以前的考试中，这个题也是考察的常客。
所以应该予以重视。
过冷度、临界晶核形成功也是重要的概念，也曾出现在初试中。
考试要求：几个定义的记忆是一方面，最重要的是临界晶核半径的推导过程，一定要熟练。
另外，这一部分有几个重要的公式，要记住公式的结论以及其代表的意义。
知识点熔化潜热：由固相转变为液相时需吸收的能量。
★★过冷度：理论凝固温度与实际凝固温度之差。
★★★液态与固态吉布斯自由能与温度的关系。
★★★我们都知道物质趋向于吉布斯自由能变小的方向发展，所以我们就很正常的理解融化和凝固现象了。
由上图我们可以知道在低温范围内，固相的吉布斯自由能比较低，液相的吉布斯自由能比较高，这就说明在低温阶段固相是比较稳定的，而在高温范围内则相反，即液相的吉布斯自由能比较低，所以在高温范围内，液相时比较稳定的，在两条曲线的交点处，两者吉布斯自由能相同，这个温度也就是我们所称的熔点。
这个部分虽然是不能称得上是一个考点，但是我觉得这个点在未来是有可能考到的，因为现在命题教师出题的思路是偏向用我们所学的理论知识来解决实际的问题，这个是一个很好的切入点，所以大家还是要注意一下。
体吉布斯自由能差的计算公式我们要记住这个公式，这个公式体现了体吉布斯自由能差与熔化潜热的关系，这个是天大内部划题老师所强调的，我们要理解，这个公式表明液态凝固时必须要有一定的过冷度，过冷度越大，体吉布斯自由能差的绝对值越大，凝固的驱动力也越大。
但是我们要注意，并不是低于Tm的任何温度液态转变为固态过程都会发生，液相中要有能形成固相的晶核，必须达到一定的临界过冷度。
上面的部分可以算是对一个公式的解析，也可以算是凝固过程发生的原因，这样的题如果命题老师出的话，恐怕会让很多人丢分的。
求临界形核半径★★★★★体系自由能的变化，主要有两方面影响，体积和表面积，随着半径的增加，体积变大，自由能降低，降低的数值为公式的第一项，而随着半径的增的，表面积增大，表面能增加，升高的数值就是上述公式的第二项，两者的加和就是体系总自由能的变化。
晶核的形成和成长课件
溶剂对晶核的形成也有影响。在溶液中，溶剂的性质和浓度 可以影响溶质分子的溶解度和稳定性，从而影响晶核的形成 。
03
晶核成长机制
晶格的稳定性与生长速率
晶格稳定性
晶格的稳定性对于晶核的成长至关重要。稳定性较高的晶格结构能够抵抗外部 环境的影响，如温度和压力的变化，从而维持晶核的完整性。
生长速率
晶核的生长速率受到多种因素的影响，如浓度、温度、压力等。这些因素通过 影响晶格的稳定性以及原子或分子的扩散速率等方式来调节晶核的生长。
晶核类型与结构
晶核主要有离子晶体、共价晶体 、金属晶体、分子晶体等类型。
不同类型晶核的结构和性质各有 特点，如离子晶体由阴阳离子通 过离子键结合，共价晶体由共价 键连接原子形成空间网状结构。
不同晶核的力学、光学、热学等 性质也各有不同。
晶核的形成过程
晶核的形成通常需要一定的热力 学条件和动力学条件。
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多尺度模拟
通过多尺度模拟方法，研究者们可以在不同尺度上模拟晶核的形成和成长过程，例如在原 子尺度上模拟晶核的结构和稳定性，在宏观尺度上模拟晶核的生长速度和形态等。
晶核在其他前沿领域的应用前景
材料科学
晶核的形成和成长机制对于材料 科学领域中的材料设计和新材料 开发具有重要的应用前景，例如 利用晶核理论指导材料中的晶体 生长、控制材料中的微结构和性 能等。
06
结语
总结晶核的形成和成长过程的关键要素
01
02
03
04
形核期
介绍形核期晶核的形成过程， 包括过饱和度、能量起伏等关
键要素。
初期成长
阐述初期成长过程中晶核与母 相之间的相互作用、晶面的取
向等关键要素。
材料科学基础选择题填空题及答案
材料科学基础考试范围及复习题考试范围：要求掌握全部概念，重要知识点。
1.材料的结构：晶体结构的基本概念，金属晶体结构及其特点（三种重要晶体结构，晶系、布拉菲点阵，晶胞原子数，密排面，密排方向，密勒指数标定）。
2.纯金属的结晶：结晶现象（结晶、过冷度），晶核的形成（临界晶核、形核功），晶核的长大，金属铸锭的组织（三晶区结构）及缺陷。
3.二元合金的相结构与结晶：合金中的相（相及其分类），合金的相结构，二元合金相图的建立，二元合金相图。
4.铁碳合金：铁碳合金的组元及基本相，Fe-Fe3C相图分析，铁碳合金的平衡结晶过程及组织，含碳量对组织性能的影响，钢中杂质元素及钢锭组织。
（全部掌握）5.固体材料的塑性变形与断裂：金属的变形特性，单晶体的塑性变形（重点），多晶体的塑性变形，合金的塑性变形，塑性变形对组织和性能的影响（重点），金属的断裂。
6.回复与再结晶：形变金属与合金在退火过程中的变化，回复，再结晶及晶粒长大。
7.扩散：扩散的本质及机理，菲克定律（重点是第二定律及其重要解），影响扩散的因素。
一、填空题1. 每个面心立方晶胞中的原子数为 4 ，其配位数为12 。
3a, 配2.晶格常数为a的体心立方晶胞, 其原子数为 2 , 原子半径为4/位数为 6 ，致密度为 0.68 。
3. 刃型位错的柏氏矢量与位错线互相垂直 , 螺型位错的柏氏矢量与位错线互相平行。
4. 螺型位错的位错线平行于滑移方向，位错线的运动方向垂直于位错线。
5. 在过冷液体中，晶胚尺寸小于临界尺寸时不能自发长大。
6. 均匀形核既需要结构起伏，又需要能量起伏。
7. 纯金属结晶时，固液界面按微观结构分为光滑界面和粗糙界面。
8.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为过冷，理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为过冷度。
9．合金中的基本相结构，有固溶体和金属化合物两类，其中前者具有较高的综合机械性能，适宜做基体相；后者具有较高的熔点和硬度，适宜做强化相。
晶核的形成_高等教育-习题试题
第五讲 晶核的形成第四节 晶核的形成一、主要内容：均匀形核非均匀形核二、要点：形核的能量变化，临界晶核半径，临界晶核半径与过冷度的关系，形核功，临界形核功，临界形核功与过冷度的关系，能量起伏的概念，形核率，形核率的影响因素，晶体金属与非晶体金属的形成条件，非均匀形核，非均匀形核的临界晶核半径和临界形核功，非均匀形核的形核率，影响形核率的因素三、方法说明：通过形核能量变化的讨论，说明形核的难易程度，使学生清楚的认识影响形核率的各种因素，因为，晶粒的大小对金属的性能有直接的影响。
授课内容：过冷液体形成固体晶核有两种形核方式：均匀形核（均质形核或自发形核）非均匀形核（异质形核或非自发形核）一、均匀形核1. 均匀形核：液态金属绝对纯净，无任何杂质，不和型壁接触，只靠液态金属的能量变化，由晶胚直接生成晶核的过程。
2. 均匀形核时的能量变化和临界晶核半径：在过冷液体中出现晶胚时，一方面原子从液态转变为固态将使系统自由能降低，它是驱动力。
另一方面，由于晶胚构成新的表面，形成表面能，使系统能量升高，它是结晶的阻力。
σS G V G V +∆-=∆假设过冷液体中出现一个半径为r 的球状晶胚，它引起的自由能变化为：σππ23434r G r G V +∆-=∆ 体积自由能的变化与晶胚半径的立方成正比，而表面能的变化与半径的平方成正比。
总的自由能是体积自由能和表面能的代数和。
自由能随晶胚半径的变化如图：当K r r ＜时，随着晶胚尺寸的增大，系统自由能增加当K r r ＞时，随着晶胚尺寸的增大，系统自由能降低把半径为K r 的晶胚叫做临界晶核，K r 称为临界晶核半径VK G r ∆=σ2 临界晶核半径与晶核的单位表面能成正比，而与单位体积自由能成反比。
TL T r m m K ∆=σ2晶核的临界半径与过冷度成反比，过冷度越大，临界半径越小。
在过冷液体中所存在的最大相起伏与过冷度的关系如图：K T ∆就是临界过冷度3、解释说明：晶核形成时的能量变化和临界晶核晶体熔化后的液态结构从长程来说是无序的，而在短程范围内却存在着不稳定的，接近于有序的原子集团（尤其是温度接近熔点时）。
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●纯金属的凝固
过冷现象 凝固过程
形核 长大
均匀
非均匀 L-S界面微观结构
粗糙 光滑
胞状 生产形态 树枝状
●固溶体的凝固
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液态金属开始结晶，由于结晶潜热的
释放，冷却曲线出现温度回升。当所
释放的结晶潜热正好补偿系统向外界
散失的热量时，结晶过程将在一恒定
温度下进行，直到结晶结束，在冷却
曲线上表现为一个水平段（图6–1α）。
这个水平段所对应的温度就是金属的
实际结晶温度T，T与Tm的差值即是
金属在该冷却条件下的过冷度。
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二、金属过冷现象的结晶（图）
热分析实验表明，，纯金属实际开始
结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm （理论结晶温度），这种现象称为过 冷。实际结晶温度T与平衡结晶温度 Tm的差ΔT称为过冷度。
过冷度的大小可由在一定条件下 所测定的，冷却曲线来确定。当冷却 到理论结晶温度Tm以下的某一温度时，
2 3cos cos3
（2） 0 ，0
4
1 ，因此，
当 时，Gk Gk ，说明固体基底可视
为现成晶核。
当 0时, Gk 0 ，表明固体不起非均匀形
3Lm T 2
即T Gk 形核功小，易于形核。
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rk
2
GV
Ak (rk )2
16
GV
2 2
Gk
16 3Tm
L-S的体积自由能差可补偿临界 晶核所需表面能的2/3，而另外1/3 则依靠液体中存在的能量起伏来 补偿
晶核半径与△G之间的关系
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SV
SL
HS HL Tm
Lm Tm
GV
Lm
T Lm Tm
Lm Tm
Tm
T
要使GV 0. Lm,Tm 0.Tm T 0
即 Tm T
表示实际晶体温度总是低于理论结晶温度，必须过冷。
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三.过冷现象
后退
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四.结晶的一般过程
当液态金属冷却到熔点Tm以下的 某一温度开始结晶时，在液体中首先形 成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随 后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液 态金属中又形成一些新的稳定的晶核并 长大。整个结晶过程就是晶核的不断形 成和不断长大、由小到大由局部到整体 的发展过程。最后各晶体彼此接触。液 体完全消失，形成了 上页 下页
的过程。
假设形成一球形的晶核，即合金由液态晶核 为球形的固相晶核，其能量变化为：
G GV V A GV 4 r3 r3
3
当 dG 0,可得到 d r
rk
2
GV
（临界晶核半径）
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即T rk
表示容易形核，临界晶核 半径小 又形核的形核功
Gk
16 3
3GV 2
16 3Tm2
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( A ) L/S AL/ S ( S / B L/ B )AS / B
r 2 L/ S (2 3cos cos3 )
2 3cos cos3
G非 G匀
4
由
d
(G) dr
可求得：
rk
2
GV
Gk
Gk
2
3 cos
4
cos3
上页 下页
由此可得到下列结论：
（1）非均匀与均匀形核相比，具有相同的临界 半径，随T , rk和Gk均下降，有利形核。
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过冷度的大小与金属的性质、纯度以及冷却速
度有关，不同金属的过冷倾向不同，金属的纯度越
高，冷却速度越大，则过冷度就越大。
在及其缓慢冷却条件下，水平段的温度与理
论结温度相差甚小，故可把缓慢冷却曲线水平段所
对应的温度看作是平衡结晶温度Tm（图6–1b）。
温度
Tm
Tm
T ΔT
（α） 时间
（b） 时间
6- 2
返回
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二.非均匀形核
依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容 器壁）上形成的过程。
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6-5 6
G GV V ( A )
V
r 3 ( 2 3 c os
c os3
)
3
AL / B 2r 2 (1 c os )
AS / B r 2 sin 2
表面张力平衡：
L / B S / B L / B cos
图6–1 纯金属结晶的冷却曲线
三.凝固的热力学条件 驱动力 Gv Hv TSv Hs HL T Sv SL
Lm HL Hs. H S H L Lm
当T Tm时.Gv 0.
液态和固态的吉布 斯自由能-温度曲线
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GV 0.HS H L TmSV SL 0
平衡凝固
原因
非平衡凝固:成分过冷 临界条件
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●共晶合金的凝固 形成 形态
●铸锭组织
表面细等轴晶 柱状晶 中心粗等轴晶
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晶体材料熔液凝固的基本规律
一、液态金属的结构
●固体是由许多晶粒组成的，液体则是由 许多原子集团所组成。在原子集团内保持 固体的排列特征，而在原子集团之间的结 合受到很大的破坏。 ●长程无序，近程范围存在着接近于晶态 的原子排列情况（近程有序排列）。
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●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时 聚时散，此起彼伏。
●结构起伏：液态金属中各种结构不稳定 现象。
●浓度起伏：各原子集团之间成分的不同 的现象。 ●能量起伏：液态金属中各原子之间能量 的不同和各个原子集团间尺寸的不同的现 象或指体系中每个微小体积所具有的能量 偏离体系平均能量水平而大小不一的现象。
固态金属的晶粒组织。每一个晶核长 大成为一个外形规则的晶粒，晶粒之 间的界面程为晶界。（如图）
因此，液态金属的结晶过程是由
形核和长大两个基本过程所形成，并 且这两个过程是同时进行的。液态金 属结晶时所形成的晶核越多，结晶后 的晶粒就越细小，反之晶粒则粗大。
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第一节 晶核的形成
一.均匀形核 ：在均一的液相中靠自身的结构 起伏和能量起伏形形成新相核心
概述
材料由液态到固态的转变过程称为 凝固。金属及合金一般都要经过熔炼与 铸造，也就是说要经过由液态转变为固 态的凝固过程。金属及合金的结晶组织 对其性能以及随后的加工有很大的影响， 而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 因此，了解有关金属和合金的结晶理论 和结晶过程，不仅对控制
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铸态组织，提高金属制品的性能有重要 的指导作用，而且也有助于理解金属及 合金的固态相变过程。