第4章_金属及合金的凝固与组织(1)

界面能低 临界晶核尺寸小 晶核的形成功低 晶核的形成速率快
ΔT过冷度 液体内部悬浮的固体质点的性质和数量 接触界面的性质、面积大小
19
第一节 凝固概论
非均匀形核临界半径： rc,

2 LC Gp
2 LCTE TH
rc
均匀形核时为球半径，非均匀形核时为球冠半径
非均匀晶核的形成功：Gc'
(3) 二维晶核式的成长 适合于晶体界面既无台阶也无缺陷，理想平面。单个孤立原 子很难稳定在晶体表面，结合牢靠。靠系统能量涨落形成一 个具有单原子厚度、并具有一定宽度（临界晶核尺寸）的平 面原子集团，同时落在平滑界面上。二维晶核形成后，周围
23 出现台阶，晶体借台阶侧向扩展成长。
第一节 凝固概论
(4) 借晶体缺陷成长 螺位错在晶体界面上的露头，会使晶体界面形成台阶。 若原子在台阶处附着的线速度相等，则角速度便不同， 离位错线愈近，角速度愈大。随着原子的铺展，台阶 将逐步弯曲，直至变为稳定的螺旋形。
凝固过程决定了金属和合金的铸态结构、组织和性能。
第一节 凝固概论
一、凝固的基本类型
凝固时
物质状态 相 化学成分
10
均发生/可能发生变化
第一节 凝固概论
化学成分是否变化？ （1）同分凝固 结晶出的晶体与母液的化学成分完全一样， 结晶过程中只有结构的改组而无化学成分的变化。 （2）异分凝固（选分结晶） 结晶出的晶体与母液的化学成分不一样， 结晶过程中，成分和结构同时发生变化。
T0—100%成 分C0的液体
T1—几乎 100%成分为 C1L的液体及 极少量成分为
C1的相
7
T4—100%成分 为C0的相
T2—50%成分 为C2L及50%成 分为C2的相
T3—几乎 100%成分为 C3的相及极 少量成分为
C3L的液体
T0—100%成 分C0的液体
T1—几乎 100%成分为 C1L的液体及 极少量成分为
凝固概论 固溶体合金的凝固及组织 共晶系合金的凝固及组织 其它合金系的凝固及组织 铸锭的凝固及组织 改善铸造金属材料组织的方法和途径 定向凝固的应用
9
第四章 金属及合金的凝固与组织
凝固━金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固。 ‖
结晶━凝固过程主要是晶体或晶粒的生成与长大过程， 所以也称为结晶。

16 L3CTE2
3H 2 T 2

2

3 cos 4

cos3


Gc

2

3 cos 4

cos3


θ越小，形核也愈容易。
(σSL-σSC)/σLC比值增大，便越有利于形核。
20
第一节 凝固概论
六、晶体的成长 宏观：晶体界面向液相中推移。 微观：原子逐个由液相中扩散到晶体表面，按晶体点阵规律 要求，逐个占据适当的位置，并稳定下来。 决定晶体成长的因素： 内因 晶体本身的结构性质、 晶体界面的结构、 界面曲率。 外因 界面附近的温度分布、 潜热的释放、 散热的速度。
对凝固规律的正确认识，可以发展一些新工艺来大大提高材料的 性能。从而发展出一系列高新技术的材料。
因此了解凝固过程进而优化凝固工艺有十分重要的意义。
3
实验观察表明，凝固过程是一个从无到有、从小到大，即形核和长 大的过程。形核和长大过程在整个系统内是重叠交错的。
凝固结束以后，一般情况下固态金属和合金是多晶体，不同的金属 及合金在不同的结晶条件下所得到的晶粒的大小、形状、分布、晶 体学取向、相的成分以及相对量不同，形成各种各样的组织，从而 导致千差万别的性能。
27
第一节 凝固概论
七、晶体的形貌 1. 结晶界面的温度分布 正温度梯度：由界面到液相具有正的温度梯度 dT/dX>0 负温度梯度：离界面越远，液相中温度越低 dT/dX<0
2. 正温度梯度条件下成长（dT/dX>0，过冷度渐小） 只有靠近界面处满足过冷条件
平滑型界面：有利于形成具有规则几何形状的晶体； 粗糙型界面：液固界面整体保持平面，一旦有所凸出，
体积自由能、表面自由能 与晶核半径的关系
TE━平衡熔点 也用Tm或Tf表示
ΔH━单位体积的结晶潜热
18
Gtotal r
r rc
0
rc

2 Gp
临界晶核尺寸
当T不太大时，
Gp

H
T
H TE

T TE
H
rc

2TE TH
过 冷 度 越 大T，rc愈 小 ，
晶核形成速率增大。
C1的相
8
T5—100%的相，外层成分为 C5成分向内成分过渡到中心 成分C1，平均成分为C0。
T2—成分为C2L 液体及外层成 分为C2中心成 分为C1平均成 分为C2’的相
T3—成分为C3L液 体及外层成分为 C3向内成分过 渡到中心成分为
C3的相
第四章 金属及合金的凝固与组织
便进入亚稳极限以上，甚至熔点以上， 成长会立刻停止，甚至熔化掉。
28
第一节 凝固概论
3. 负温度梯度条件下成长（dT/dX<0，过冷度渐大） 离界面越远，过冷度越大，成长速度愈快。
粗糙型界面：界面一旦局部凸出，便进入过冷度较大的区 域，成长速度加快，以树枝状形式快速伸向 液体。（树枝状晶=树状晶=树枝晶=枝晶）
2. 晶体的成长机理
(1) 连续成长 适合于粗糙界面。晶体界面上，原子位置约有一半虚位以待， 易于接纳外来原子。晶体依靠原子由液体连续不断地向固体 扩散而成长。
(2) 借台阶侧向扩展成长 适合于具有台阶的平滑界面。台阶处原子附着时配位数大， 结合较强，不易再返回液体中。界面上台阶越多，沿法向成 长的线速度愈大。界面晶面的原子密度越低，台阶密度愈大。
借台阶扩展成长━

G
随台阶密度变化
借螺旋台阶成长━

G

T
2
抛物线关系
借二维晶核成长━

G

exp(

k T
)
与ΔT的倒数呈负指数关系
过冷度相当大时：几乎都是 ΔT

G

T
直线关系
过冷度过于大时： ΔT

G
随ΔT增大而减小
ΔT增大
形核率也增大，有利于成长； 原子扩散困难，不利于成长。
4
§ 凝固的过冷与再辉
结晶会出现所谓的再辉现象，再辉的强弱与环境对系统的热提取 率有关，热提取率越大，再辉越不明显。
§ 单相固溶体凝固
平衡凝固与非平衡凝固
固溶体凝固是在一个温度范围内进行，在两相区范围液相和固
相的平衡成分是不同的。 定义平衡分配系数k0为：
k0

CS CL
一般纯金属的情况
环境的热提取率特别高的情况
21
第一节 凝固概论
1. 固液界面结构（原子尺度）
粗糙型：界面原子只部分占位。 平滑型：具有平整晶面特征，
出现小台阶，又分为 密集平滑界面与非密 集平滑界面。 平滑与粗糙的过渡型
大多数金属及其固溶体的固液 界面为粗糙型，而非金属以及 一些金属间化合物的固液界面 多为平滑型或过渡型。
22
第一节 凝固概论
3
第一节 凝固概论
Gc

16 3
3 GP2

16 3TE2
3H 2
1
T 2
ΔGc为晶核的形成功，靠系统的能量涨落来提供， ΔT越大，则ΔGc便越小，便越有利于形核。
五、非均匀形核*
晶核的产生借助于外来物质
悬浮在液体中的杂质粒子
液体表面的氧化膜
促进晶核形成
铸型模壁
非均匀形核阻力<均匀形核阻力，形核驱动力不变。
中如断果乃热至提已取凝率固特的别相小发，生也部会分出重现熔液的相现温象度。回一升般到而T言m以，上因导为致合凝金固的 凝固在一个温度范围内发生，冷却曲线不会出现平台。
5
6
1
平衡凝固
平衡凝固是指在凝固过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷 却时固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线变化。
平衡凝固一般是很难实现的。当冷却速度稍大时，在每个温度间 隔固相的溶质分子不可能扩散均匀，即固相的整体成分不可能达 到平衡成分，这就是非平衡凝固。
同 分 凝
固
潜热=散热
潜热>散热 潜热=散热
凝固时温度不变 温度回升 温度不变
潜热<散热 温度持续下降， 只是速度慢些。
14
第一节 凝固概论
三、凝固的微观基本过程
生核(形核)━晶体由“胚胎”到“生长”的过程 从无到有 的过程
长大(成长)━晶体出生后的长大过程
由小变大的过程
一个晶粒，生核长大，长成单晶； 多晶结晶过程，生核、长大两个过程交错重叠组合而成。
晶核
结晶的驱动力━液相与固相的体积自由能差
VΔGP=4/3πr3ΔGP 结晶的阻力━形成相界面时界面能的增加
Sσ=4πr2σ
ΔGtotal=-VΔGP+Sσ =-4/3πr3ΔGP+4πr2σ
17
第一节 凝固概论
r < rc时，r ，ΔG ， 不能自发长大；
r > rc时，r ， ΔG ， 晶核自发长大。
15
16
第一节 凝固概论
凝固过程动画图
第一节 凝固概论
四、晶核的自发形成━均匀形核＊
液体中的结构涨落和能量涨落：液体中存在着许多含有若 干个原子的小集团。这些小集团的形状和尺寸既不统一也不稳 定，时而长大，时而缩小；这里产生，那里消失。这种现象称 为结构涨落。在结构涨落的同时会伴着能量涨落。
小集团
2. 结晶潜热 凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称为结晶潜热。
13
第一节 凝固概论
潜热=散热，温度保持恒定，凝固继续，直至完全凝固；
潜热<散热，温度不断下降，凝固继续，直至建立新的平衡；
潜热>散热，温度回升，直至
凝固停止进行（ΔT<ΔT＊）， 甚至局部重熔（T>Tm）。 潜热=散热，温度不变，
凝固继续，直至完全凝固。
匀 晶 凝 固
非 匀 晶 凝
固
12
2
第一节 凝固概论
二、凝固过程的宏观特征 1. 过冷度
过冷度━金属和合金的实际凝固温度与其熔点之差值， ΔT ΔT=Tm（平衡熔点）-T（实际温度） 凝固只能在过冷液体中进行，而且要过冷度大于某 一最小值。 亚稳极限 ━对于给定的金属和合金，存在一个最小的过冷值, ΔT* 当过冷度小于这个值时，凝固几乎不能进行或难 于觉察，液体可以长期处于亚稳状态。 纯净金属液态、孤立小滴，ΔT*=0.2Tm 很高 实用金属和合金，ΔT*≈0.01‾0.05℃ 很小
纯金属以及成分恰处于液相线的最高点或最低点的合金， 固、液线（或面）重合为一点的合金都是同分凝固。
11
第一节 凝固概论
结晶后的组织特点（晶粒是否均一）？ （1）匀晶凝固 单相组织。结晶过程中只产生一种晶粒， 结晶后的组织由单一的均匀晶粒组成。 同分凝固和异分凝固的一些情况都能产生匀晶凝固。 （2）非匀晶凝固 复相组织。结晶时由液体中同时或先后形成两种或 两种以上的成分和（/或）结构都不同的晶粒。 共晶合金系和包晶合金系均为典型的非匀晶凝固。
第四章 金属及合金的凝固与组织 (第一节）
2
凝固包括结晶过程和形成半晶态或非晶态固相的过程。 几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工件或器件以前都要 经过凝固阶段。凝固的主要应用铸造工艺是一种非常经济的成形 方法。 铸造的特点： ① 与固态相比，金属和合金在液态下的粘度比固态的约低20个数
量级，液态金属可承受的剪切应力基本上等于零，因此无需象 锻轧热加工时那样消耗大量能量以克服非常高的流变应力。 ② 凝固过程对铸件的性能影响极大，固件不同部位的性能有明显 差异。凝固过程所产生的组织和缺陷对产品的性能也有重要的 影响，而且，某些缺陷一旦形成便很难消除。
连续成长
借台阶成长
二维晶核式成长
借晶体缺陷成长
24
4
第一节 凝固概论
第一节 凝固概论
连续成长
借台阶成长
二维晶核式成长
借晶体缺陷成长
25
借螺位错台阶成长
26
第一节 凝固概论
3.
晶体的成长速度

G
影响晶体成长速度的主要因素
晶体成长机理 过冷度
过冷度不太大时：受晶体成长机理影响大
连续成长━

G

T
直线关系
平滑粗糙过渡型：一般形成树枝晶。 平滑型界面：形成规则晶体，或具有小晶面的枝晶、
Cu-10At%Co合金铸件(Co树枝晶)
29
30
5
枝晶）二次枝晶三次枝晶
结晶完成后，晶枝间成分有差异，取向有差别，结构有缺陷， 实验条件下显现出来。
4. 胞状界面 晶体界面介于平面和树枝状之间，过渡形式。 结晶前沿过冷度不大,界面只能稍稍凸出,但不能向纵深发展。 晶体界面出现许多凹槽，凹槽之间的界面稍有鼓起（凸出）。
平滑粗糙过渡型：一般形成树枝晶。 平滑型界面：形成规则晶体，或具有小晶面的枝晶、
第一节 凝固概论
3. 负温度梯度条件下成长（dT/dX<0，过冷度渐大） 离界面越远，过冷度越大，成长速度愈快。
粗糙型界面：界面一旦局部凸出，便进入过冷度较大的区 域，成长速度加快，以树枝状形式快速伸向 液体。（树枝状晶=树状晶=树枝晶=枝晶）