金属结晶的基本规律3

第一节 金属结晶的基本规律
凝固：物质由液态转变为固态的过程 结晶：物质由液态转变为晶态的过程 金属的冶炼、铸造、焊接等生产过程中，均存在 结晶过程。
金属原子由混乱排列到 整齐排列的转变过程
一、金属结晶的微观现象
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。 结晶过程是相变过程：液相→固相。
液体
晶核
晶核长大
过冷度：理论结晶温Fra Baidu bibliotek和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
“时聚时散、此起彼伏”的近程有序现象 称为结构起伏或相起伏。
正温度梯度：随液－固界面距离增加，在液相内
温度升高，这种温度分布称为正的 温度梯度。
热量和结晶潜 热，只能通过 固相散逸
液固界面前沿 过冷度减小
正温度梯度
界面向液相推进速率：在正的温度梯度下，受到固 相传热能力控制；
平面状生长形态：光滑 界面、粗糙界面结构的 金属，其界面生长方式 都以平面的方式，向液 相推进。
固态金属的降温阶段。
理论冷却曲线与实际冷却曲线：
结晶条件之一：过冷度
在理论结晶温度(熔点 或平衡结晶温度)下， 液体和晶体处于动平衡 状态；
结晶只有在熔点以下 的实际结晶温度下才 能进行。
雾 凇
三、过冷现象与过冷度
过冷：金属实际开始结晶温度总是低于理论结晶温
度（即熔点） 。这种液态金属在熔点以下仍保 持液态的现象称为过冷。
原子排列规则， 一般为密排晶面
原子处于混乱状 态排列
光滑界面
粗糙界面
• 同族的密排面
有一定的夹角
• 在客观上，光 滑界面由若干 小平面组成；
称为小平面界面 或结晶学界面
光滑界面
粗糙界面
• 液固界面存在粗糙、光滑界面的原因：要求界面自由能保持 最低的缘故。这与晶体结构中原子配位数等因素有关。
2、液－固界面温度梯度
2 非均匀形核：晶胚依附在其它固态杂质表面上成核，
称为非均匀形核（或非均质形核）
1、均匀形核
界面自由能
1）临界晶核
自 由 能 晶胚
晶核
当r ＝ rc时，该晶胚既
变 化 ΔG*
可能消散，也可能成为 ΔG
晶核存在。称半径为rc的
rc
r
晶胚为临界晶核
体积自由能
r＜rc时：表面自由能占优势，ΔG增大，晶胚消失；
均匀形核
非均匀形核
点阵匹配原则：晶格类型相似，原子间距相等两方面
晶界的形成
晶核长大→晶粒，最后形成晶界：
五、晶体的长大
1 晶体长大影响 因素
液－固界面的结构 界面前沿液相的温度梯度
2 动态过冷度：使晶核表面能够向液相中推进而在 晶面上所具有的过冷度。
1、液－固界面的结构
液固界面结构
光滑界面 粗糙界面
全部结晶
结晶过程
等轴晶——晶粒在三维方向上尺寸大致相同，近似为球状
（理想状态为十四面体）
结晶过程：
在熔点以下，液态金属形成具有随机位向的晶核 按金属本身固有晶格的原子排列方式晶核不断长大 形核、核长大是同时进行的过程，晶核数目越多，形 成的小晶体（即晶粒）越多； 晶粒互相接触后，形成整块金属。
二、金属结晶的宏观现象
●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子
晶胚：液态金属中存在着原子排列规则的小原子
团它们时聚时散，称为晶坯。
●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子
结构起伏→晶胚→是液态金属产生晶核的基础
四、晶核的形成
晶胚
均匀形核
形核
非均匀形核
核长大
1 均匀形核：在过冷液态金属中，液态金属本身具有的
晶胚，形成晶核的过程，称为均匀形核 （或均质形核）
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
形核功：由体系内部能量起伏来提供的；
能量起伏：体系内部能量偏离平均值的动态
变化现象称为能量起伏。
过冷度愈大，形核功愈小
界面自由能
自
由 能
晶胚
变化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
3）过冷度对形核的影响
临界过冷度
液态金属过冷度越大， 最大晶胚半径rmax也越大， 临界晶核半径 rc越小
当过冷度达一定值时， rmax＝ rc，结晶开始，这个过冷度称为临界过冷度
有效过冷度——金属液体大量形核所需的过冷度
液体金属均匀结晶的三个条件：
过冷度 结构起伏→晶胚→晶核 能量起伏→形核功→形核
过冷度增大
有利于形核→核长大
晶胚半径越大 临界晶核变小 形核功也变小
例如： 纯Sn均匀形核过冷度为183℃； 纯Al为160℃，很大
2、非均匀形核
非均匀形核：液体中存在的固态杂质为核心形核
称非均匀形核。
非均匀形核比 均匀形核的界 面能较低。即 相变阻力减小
均匀与非均匀形核的区别：
非均匀形核可以降低形核功
固态界面：随润湿角θ的 减小（点阵匹配） ，促进 形核，形核功减小。
σ比表面能
过冷度大大降低
表面自由能大大降低了， 相变时所需的固液自由能 差减小。
非均匀形核示意图
实际生产中，非均匀形核过冷度一般不超过20℃； 在实际金属凝固条件下，几乎全部是非均匀形核； 加入“形核剂”或“细化剂”，达到细化晶粒目的。
1、冷却曲线
冷却曲线－金属结晶时温度与
时间的关系曲线
实际结晶温度T1 ：曲线上水平
阶段所对应的温度
纯金属的冷却曲线
结晶潜热：曲线上水平段是由于结晶时结晶潜热引起的
冷却曲线的各个阶段：
1 孕育阶段：形核及核长 大不明显；
2 结晶开始阶段，结晶潜热， 温度回升；
3 继续结晶阶段 温度保持恒定； 4 液态金属全部结晶完毕，
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——这种生长方式，称为平面状生长形态
负温度梯度：随液－固界面距离增加，在液相内
温度降低，这种温度分布，称为负 的温度梯度。
热量和结晶潜热， 可以通过固相和 液相两个方向逸散
液固界面 前沿过冷 度增大
负温度梯度
实际金属的结晶主要以树枝状长大： 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散 热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又 会产生二次轴…，树枝间最后被填充。