金属凝固的知识

晶 核
成核的过程。
的
非均匀形核较均匀形核容易。
形
在实际金属中或多或少存在许多的杂质以及外表面，
成 实际金属的结晶主要按非均匀形核方式进行。
17
第
三
第三节 晶核的形成
章 1 均匀形核
（1）晶胚形成时的能量变化
第 晶胚的形成受到两个力的作用：
三 ➢ 结晶的驱动力：
节
在过冷条件下，固相的自由能
低于液相的自由能。当过冷液体
晶 中出现晶胚时，原子由液态转变
核 为固态，使系统自由能降低；
的 ➢ 结晶的阻力：
形
由于晶胚构成新的表面，形成
成 表面能，使系统的自由能升高 。
晶胚形成时总的自由能变化决定 着晶胚能否长大。
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1. 冷却曲线上出现温度回升现象 在实际开始结晶温度，大量晶核形成释放的结晶潜热多
第 于金属向外界散失的热量，导致出现温度的回升。
一 2. 在纯金属的冷却曲线上出现
节 “平台”
结
液态金属在结晶过程中释放的 结晶潜热与金属向外界散失的热量
晶 达到平衡。
Tm: 理论结晶温度（熔 点）
Tn: 实际开始结晶温度
2 结构条件
章
（1）液态结构模型
微晶无序模型 第
拓扑无序模型 二
节
结
晶
条 件
15
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
2 结构条件
章
（2）结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序
原子集团的时隐时现现象。是产生晶核的基础。..\结构起
第 伏.swf只有尺寸比较大的结构起伏才有可能转变为晶核，
二 称为晶胚。 在一定的温度下，不同尺寸的结构起伏出现的几率
熵是表征系统中原子排列有序度的参数，恒为正值。 温度升高，熵值增加。液相的熵值比固相大。
11
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
章 1 热力学条件
（1）G-T曲线 第 a 是下降曲线：由G-T函数的一次
导数（负）确定。 二
dG/dT=-S 节 b 是上凸曲线：由二次导数（负） 结 确定。
晶
d2G/d2T=-Cp/T
规 3.“平台”的温度与熔点的关系
律
“ 平台”的温度低于熔点（理 论结晶温度）。
冷却速度越慢， “ 平台”的
温度越接近理论结晶温度。
9
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
章 回答两个问题：
1.金属结晶必须在过冷条件下进行，为什么？
第
二 2.金属的结晶过程是形核和长大的过程，晶核如
节 何形成？
结
晶
条 件
10
条 件
c 液相曲线斜率大于固相： 由一次导数大小确定。
二曲线相交于一点，即材料的熔点
Tm 。
△GB= GL - GS
12
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
章 1 热力学条件
（2）热力学条件
第
△GB=Lm△T/Tm
二 a △T>0, △GB > 0——过冷是结晶
节 的必要条件（之一）。
△GB= GL - GS
晶
规
律
7
第
三
第一节 金属结晶的基本规律
章
注: 过冷是结晶的必要条件 (结晶过程总是在一定
第 的过冷度下进行)。
一
改变过冷度可以控制铸件晶粒的大小。
节
影响过冷度的因素：
结
（1）金属的纯度越高，过冷度越大。
晶
规
（2）冷却速度越快，过冷度越大。
律
8
第
三
第一节 金属结晶的基本规律
章 冷却曲线的几个特点：
18
第
三
第三节 晶核的形成
章 1 均匀形核
（1）晶胚形成时的能量变化
第
三
当过冷液体中出现一晶胚时，
节 若晶胚的体积为V，表面积为S，液、
固两相单位体积自由能差为ΔGB ，
三
第一节 金属结晶的基本规律
章 3 过冷现象 supercooling（宏观现象） （1）过冷：金属的实际开始结晶温度Tn总是低于理论结晶温
度Tm的现象。
第 （2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之
一 差。
△T=Tm-Tn (见冷却曲线)
节
Tm: 理论结晶温度（熔点）
结
Tn: 实际开始结晶温度
第三章 凝固
熔化 1
第三章 凝固
炼钢
浇注
炼铜
2
第三章 凝固
凝固：物质从液态到固态的转变过程。
若凝固后的物质为晶体，则称之
为结晶。
凝固过程影响后续工艺性能、使用性能 和寿命。
凝固是相变过程，可为其它固态相变的 研究提供基础。
3
第
三
本章内容
章
阐述纯金属的凝固基本规律：
第 ➢金属结晶的基本规律（微观、宏观）
结 b △T越大, △GB越大——过冷度越 晶 大，越有利于结晶。 条 c △GB为凝固过程的驱动力。 件
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第二节 金属结晶的基本条件
晶核从何而来？ 2 结构条件
液态金属的结构 结构：长程无序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数 较小、原子排列较混乱。
14
第
三
第二节 金属结晶的基本条件
节 不同（左图）。
结
rmax 大小与过冷度有关ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ右图）。
晶
出
条
现
件
几 率
rmax rmax
结构起伏大小
16△T
第
三
第三节 晶核的形成
章 液态金属的形核方式有两种： （1）均匀形核
第
在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变
三 化获得驱动力，由晶坯直接成核的过程。
节
（2）非均匀形核
在过冷的液态金属中，晶坯是依附在其他物质表面上
结
晶
规
律
5
第
三
第一节 金属结晶的基本规律
章 2 结晶过程（微观现象） （1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（2）描述结晶进程的两个参数 第 形核率N ：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。
一 长大速度G ：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上
节 单位时间内迁移的距离。
结
晶
规
律
6
第
第二节 金属结晶的基本条件
1 热力学条件
金属结晶为什么必须在过冷条件下进行呢？
热力学第二定律指出：在等温等压条件下，物质系统 总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。
金属状态不同，自由能也不同。 状态的自由能可表示为
G＝H－TS 式中： G 为吉布斯自由能，H为焓（热函），
T为绝对温度，S为熵。
一 ➢金属结晶的基本条件（热力学条件、结构条件） 节 ➢晶核的形成（均匀形核、非均匀形核）
结
➢晶体的长大（长大的机制、长大的形态）
晶
规 ➢凝固理论的应用（如单晶制备、定向凝固等）
律
4
第
三
第一节 金属结晶的基本规律
章 1 液态材料的结构
结构：长程无序而短程有序。 第
特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数 一 较小、原子排列较混乱。 节