第四讲金属结晶的现象及条件

第四讲金属结晶的现象及条件

第一节金属结晶的现象

一、主要内容：

金属结晶的宏观现象

金属结晶的微观现象

二、要点：

金属结晶的热分析曲线，热分析法，过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的热分析曲线分析，金属结晶的微观过程分析，形核，晶核长大。

三、方法说明：

首先介绍热分析法，说明热分析曲线，介绍金属的热分析曲线的特征，说明过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的微观现象，可举例说明晶核的形成和长大的过程，如窗花，盐，冰，植物等增加学生的感性认识和对形核、长大的理解。

授课内容：

物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。

凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。

一、金属结晶过程中的宏观现象

热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却，用X－Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。如图

图1 热分析实验装置示意图图2 纯金属的冷却曲线

2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化曲线。

3、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象。

4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Δ T＝Tm-Tn。

结晶潜热：金属熔化时从固态转变为液态需要吸收热量，而结晶时从液态转化为固态要放出热量，前者叫熔化潜热，后者叫结晶潜热。

二、金属结晶的微观过程

金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。

第二节金属结晶的热力学条件

第三节金属结晶的结构条件

一、主要内容：

金属结晶的驱动力和热力学条件

结构起伏的概念

二、要点：

热力学第二定律，物质系统，自发过程，熵的概念，

金属结晶过程液固两相自由能之差的推导，

液相、固相自由能随温度变化示意图

晶胚，晶核，近程有序，远程有序，液态金属的结构，液态金属中不同尺寸结构起伏出现的几率，最大结构起伏尺寸与过冷度的关系

三、方法说明：

熵，物质系统，自发过程等概念较抽象，打比方形象的说明有利于学生的理解。

用液态金属的宏观特性解释液态金属的微观结构，解释金属结晶的微观过程，讲清晶胚，晶核等概念及影响因素，说明金属结晶的结构条件

授课内容：

第二节金属结晶的热力学条件

热力学第二定律：在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。自由能G 用下式表示：

G=H-TS，

式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得

dG＝ Vdp－ SdT。

在等压时，dp=0，故上式简化为：

dG＝－ SdT。

由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。

图3 自由能随温度变化的示意图

纯晶体的液、固两相的自由能随温度变化规律如图所示。这样，两条斜率不同的曲线必然相交于一点，该点表示液、固两相的自由能相等，故两相处于平衡而共存，此温度即为理论凝固温度，也就是晶体的熔点Tm。事实上，在此两相共存温度，既不能完全结晶，也不能完全熔化，要发生结晶则体系必须降至低于Tm温度，而发生熔化则必须高于Tm。

在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为

ΔG V=G L－G S＝H L－TS L－(H S－TS S)＝（H L－H S）－T（S L－S S）

Lm＝H L－H S为熔化潜热。当结晶温度T＝Tm时，ΔG V＝0，即

Lm＝T（S L－S S）＝TΔS

当T＜Tm时，由于ΔS的变化很小，可视为常数，

得出ΔGV＝Lm－TLm/Tm＝Lm（1－T/Tm）＝LmΔT/Tm

式中，ΔT=Tm-T，是熔点Tm与实际凝固温度T之差。

由上式可知，要使ΔGv＜0，必须使Δ T＞0，即T＜Tm，故ΔT称为过冷度。晶体凝固的热力学条件表明，实际凝固温度应低于熔点Tm，即需要有过冷度。

第三节金属结晶的结构条件

液态金属的结构：（介绍说明）

结构起伏（相起伏）：液态金属中的这种近程有序的原子集团，处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态，这种不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或相起伏。

相起伏的最大值r max与过冷度之间的关系：温度越高，r max尺寸越小。

晶胚：只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才有可能在结晶时转变成晶核，这些相起伏是晶核的胚芽称为晶胚。