材料科学基础山东大学第三章PPT课件
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偿2/3表面能的增加,还有1/3的表面能必须由系统 的能量起伏来提供.
2020/10/31
第三章 凝固
15
§3.3 晶核的形成
形核: 母相中形成等于或大于临界尺寸
的新相晶核.
均匀形核：依靠母相自身能量变化获得
驱动力,由晶胚直接长成晶 核的过程,又称自发形核或均
质形核. 非均匀形核：晶核在母相与外来夹杂的相
• 体积自由能—液相原子进入晶胚体内规则排列, 能量降低形核驱动力,促使晶 胚存在并长大;
• 表面自由能—液相原子占据晶胚表面层,排列 不规则,受力不平衡,能量升高 结晶阻力,促使晶胚熔化、消失;
总自由能的变化决定晶胚能否存在、结晶能 否继续,即决定相转变方向.
2020/10/31
第三章 凝固
19
体系中液、固体两系相中的表 体积自由能之面差自由能
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
2020/10/31
第三章 凝固
14
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的能量条件
能量起伏：
• 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量 水平而高低不一的现象;
• 能量起伏也是结晶的必要条件之一; • 原因: 形成临界晶核时,体积自由能的降低只能补
之二: 结构条件— 结构起伏 之三: 能量条件— 能量起伏
过冷度 TT0Tn0
2020/10/31
第三章 凝固
9
等温等压条件下,物质 系统总是自发地从自
§3.2金属结晶的基本条件由能能低高的的状状态态转向变自.由
金属结晶的热力学条件
–热力学第二定律— 转变的热力学判据: G 0
–自由能-温度曲线
开始温度之差,即:T=T0 –Tn
– 过冷度是金属结晶的必要条件,即结晶总是 在一定的过冷条件下进行的;
– 过冷度越大,开始结晶的温度越低;
– 金属越纯,过冷度越大;冷却速度越大,过冷 度越大.
– 过冷度对金属形核长大及性能有重要影响.
2020/10/31
第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
之一: 热力学条件— GB 0
§3.3 晶核的形成—均匀形核
自由能变化与晶胚半径的关系:
设晶胚为球形,半径为r, 表面积为S,体积为V,则:
GG VFra Baidu bibliotek S
若GB为单位体积自由能差;
2020/10/31
第三章 凝固
无序结构模型示意图
12
§3.2金属结晶的基本条件
• 一般结构模型都是 表示静态的结构， 实际液体中的原子 是在不停地热运动， 无论是近程有序或 无序的区域，都在 不停的变换着，液 体中这些不断变换 着的近程有序原子 集团与那些无序原 子形成动态平衡。
2020/10/31
f : 自由度, C: 组元, P: 平衡相数目. • 实际结晶("平台")温度: 略低于理论结晶温度.
2020/10/31
第三章 凝固
7
§3.1金属结晶的基本规律
3. 过冷现象与过冷度
• 过冷(undercooling): 纯金属开始结晶温度总 是低于理论结晶温度的现象;
• 过冷度:液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际
2020/10/31
热分析装 置示意图
第三章 凝固
纯金属的冷却曲线
6
§3.1金属结晶的基本规律
2. 结晶温度
• Tm(T0): 液体材料的理论结晶(凝固)温度—金 属的熔点;
• Tn: 实际开始结晶温度; • "平台"的形成:
– 材料结晶潜热的释放等于体系向外界的散热;
– 相律: f = C – P + 1
dG dT
p
S
★
▪ T=Tm:两相共存; ▪ T>Tm:固态熔化为液态; ▪ T>Tm:液态凝固为固态.
2020/10/31
第三章 凝固
液、固态金属自由 能—温度曲线
10
§3.2金属结晶的基本条件
– G B 是结晶形核的驱动力
GB
Lm Tm
T
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利 于结晶;
凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。
2020/10/31
第三章 凝固
2
第三章 凝固—前言
主要内容：
1. 凝固规律
过冷现象
凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
2020/10/31
第三章 凝固
均匀形核
非均匀形核 长大方式和形态
长大速率
3
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的微观现象
金属结晶过程: 形核—长大过程。
第三章 凝固
13
§3.2金属结晶的基本条件
结构起伏:
• 结构起伏:液态材料中出现的短程有序原子集团 的时隐时现的现象.
• 一定温度下不同尺寸的短程有序原子集团出现的 几率呈正态分布,过小不能稳定存在,只有超过一 定尺寸才有可能成为晶核.
• 晶胚:过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构.
• 晶胚的稳定存在与过冷度有关,过冷度越大,实际 出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/31
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
18
§3.3 晶核的形成—均匀形核
晶胚形成时的能量变化
形成晶胚时原子不同占位带来的能量变化:
G的绝对值是凝固过程的驱动力—两相的自由能 差值是相转变的驱动力.
2020/10/31
第三章 凝固
11
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的结构条件
液态金属的结构
• 微晶无序模型: 长 程无序,短程有序;
• 拓朴无序模型: 基 本单元(近程有序) 随机堆垛而成;
• 与固态相比,原子间 距稍大,配位数略小 (见表3-1),原子排 列较混乱.
材料科学基础
20010.9
第三章 凝固—前言
凝固：物质从液态到固态的过程称为凝固。 结晶：得到的固态物质为晶体的凝固过程。 学习目的：
一般金属材料均需经过冶炼和铸造，因外界条件 的差异，凝固所获得铸件的内部组织会有所不同， 将影响其工艺性能、使用性能和寿命；
了解金属的凝固过程，掌握其有关规律，对控制 铸件质量，提高制品的性能等都有重要意义；
• 形核有孕育期;
• 已有晶核不断长大,新晶核不断形成;
• 晶核相遇后停止长大,所有液态金属消耗完后结 晶完成,得多晶粒组织,晶粒位向各不相同.
2020/10/31
第三章 凝固
4
§3.1金属结晶的基本规律
2020/10/31
第三章 凝固
5
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的宏观现象
1. 冷却曲线
2020/10/31
第三章 凝固
15
§3.3 晶核的形成
形核: 母相中形成等于或大于临界尺寸
的新相晶核.
均匀形核：依靠母相自身能量变化获得
驱动力,由晶胚直接长成晶 核的过程,又称自发形核或均
质形核. 非均匀形核：晶核在母相与外来夹杂的相
• 体积自由能—液相原子进入晶胚体内规则排列, 能量降低形核驱动力,促使晶 胚存在并长大;
• 表面自由能—液相原子占据晶胚表面层,排列 不规则,受力不平衡,能量升高 结晶阻力,促使晶胚熔化、消失;
总自由能的变化决定晶胚能否存在、结晶能 否继续,即决定相转变方向.
2020/10/31
第三章 凝固
19
体系中液、固体两系相中的表 体积自由能之面差自由能
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
2020/10/31
第三章 凝固
14
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的能量条件
能量起伏：
• 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量 水平而高低不一的现象;
• 能量起伏也是结晶的必要条件之一; • 原因: 形成临界晶核时,体积自由能的降低只能补
之二: 结构条件— 结构起伏 之三: 能量条件— 能量起伏
过冷度 TT0Tn0
2020/10/31
第三章 凝固
9
等温等压条件下,物质 系统总是自发地从自
§3.2金属结晶的基本条件由能能低高的的状状态态转向变自.由
金属结晶的热力学条件
–热力学第二定律— 转变的热力学判据: G 0
–自由能-温度曲线
开始温度之差,即:T=T0 –Tn
– 过冷度是金属结晶的必要条件,即结晶总是 在一定的过冷条件下进行的;
– 过冷度越大,开始结晶的温度越低;
– 金属越纯,过冷度越大;冷却速度越大,过冷 度越大.
– 过冷度对金属形核长大及性能有重要影响.
2020/10/31
第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
之一: 热力学条件— GB 0
§3.3 晶核的形成—均匀形核
自由能变化与晶胚半径的关系:
设晶胚为球形,半径为r, 表面积为S,体积为V,则:
GG VFra Baidu bibliotek S
若GB为单位体积自由能差;
2020/10/31
第三章 凝固
无序结构模型示意图
12
§3.2金属结晶的基本条件
• 一般结构模型都是 表示静态的结构， 实际液体中的原子 是在不停地热运动， 无论是近程有序或 无序的区域，都在 不停的变换着，液 体中这些不断变换 着的近程有序原子 集团与那些无序原 子形成动态平衡。
2020/10/31
f : 自由度, C: 组元, P: 平衡相数目. • 实际结晶("平台")温度: 略低于理论结晶温度.
2020/10/31
第三章 凝固
7
§3.1金属结晶的基本规律
3. 过冷现象与过冷度
• 过冷(undercooling): 纯金属开始结晶温度总 是低于理论结晶温度的现象;
• 过冷度:液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际
2020/10/31
热分析装 置示意图
第三章 凝固
纯金属的冷却曲线
6
§3.1金属结晶的基本规律
2. 结晶温度
• Tm(T0): 液体材料的理论结晶(凝固)温度—金 属的熔点;
• Tn: 实际开始结晶温度; • "平台"的形成:
– 材料结晶潜热的释放等于体系向外界的散热;
– 相律: f = C – P + 1
dG dT
p
S
★
▪ T=Tm:两相共存; ▪ T>Tm:固态熔化为液态; ▪ T>Tm:液态凝固为固态.
2020/10/31
第三章 凝固
液、固态金属自由 能—温度曲线
10
§3.2金属结晶的基本条件
– G B 是结晶形核的驱动力
GB
Lm Tm
T
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利 于结晶;
凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。
2020/10/31
第三章 凝固
2
第三章 凝固—前言
主要内容：
1. 凝固规律
过冷现象
凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
2020/10/31
第三章 凝固
均匀形核
非均匀形核 长大方式和形态
长大速率
3
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的微观现象
金属结晶过程: 形核—长大过程。
第三章 凝固
13
§3.2金属结晶的基本条件
结构起伏:
• 结构起伏:液态材料中出现的短程有序原子集团 的时隐时现的现象.
• 一定温度下不同尺寸的短程有序原子集团出现的 几率呈正态分布,过小不能稳定存在,只有超过一 定尺寸才有可能成为晶核.
• 晶胚:过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构.
• 晶胚的稳定存在与过冷度有关,过冷度越大,实际 出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/31
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
18
§3.3 晶核的形成—均匀形核
晶胚形成时的能量变化
形成晶胚时原子不同占位带来的能量变化:
G的绝对值是凝固过程的驱动力—两相的自由能 差值是相转变的驱动力.
2020/10/31
第三章 凝固
11
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的结构条件
液态金属的结构
• 微晶无序模型: 长 程无序,短程有序;
• 拓朴无序模型: 基 本单元(近程有序) 随机堆垛而成;
• 与固态相比,原子间 距稍大,配位数略小 (见表3-1),原子排 列较混乱.
材料科学基础
20010.9
第三章 凝固—前言
凝固：物质从液态到固态的过程称为凝固。 结晶：得到的固态物质为晶体的凝固过程。 学习目的：
一般金属材料均需经过冶炼和铸造，因外界条件 的差异，凝固所获得铸件的内部组织会有所不同， 将影响其工艺性能、使用性能和寿命；
了解金属的凝固过程，掌握其有关规律，对控制 铸件质量，提高制品的性能等都有重要意义；
• 形核有孕育期;
• 已有晶核不断长大,新晶核不断形成;
• 晶核相遇后停止长大,所有液态金属消耗完后结 晶完成,得多晶粒组织,晶粒位向各不相同.
2020/10/31
第三章 凝固
4
§3.1金属结晶的基本规律
2020/10/31
第三章 凝固
5
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的宏观现象
1. 冷却曲线