材料的凝固与相图
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3 16 SL 2 3Gv
G hom
均匀形核与非均匀形核
非均匀形核：
液体在容器壁、未溶杂质或者其它固体结构 材料表面上形核的过程 。
均匀形核与非均匀形核
2 SL r G v *
γML =γSM +γSLcosθ
cosθ=(γML-γSM )/γSL
ΔGhet = -VSΔGV + ASLγSL + ASMγSM - ASMγML
U － 为系统的内能， T － 热力学温度 S － 熵（表示系统中原子排列混乱程度的参数）
（三）结晶的条件
1、能量条件
对于固态 对于固态
GS ＝ US － TSS Gl ＝ Ul － TSl
G
△G
L S
△T
T
（三）结晶的条件
2、结构条件
固体晶体中原子排列是周期性、有序的，因 此，晶体材料在凝固时，它必须满足一定的原子 排列规则才能够形成晶体结构，即发生结晶。
组元 ( 元 ) ( element )
元素，也可以是化合物。
组成合金的基本物质，可以是
相 ( phase )
合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面 相互分开的组 成部分。
显微组织 ( microscopic structure )
结晶的过程 液体中形成核心 核心Байду номын сангаас大
（二）结晶时的过冷现象
温 度 To Tx
Undercooling in Crystallization
理论冷却曲线
△T
过冷度： Tm
△T = To — Tx
实际冷却曲线
过冷是结晶 的必要条件
时间
（三）
结晶的条件
1、能量条件
自由能G是表示物质能量状态的函数，其表 达式为： G ＝ U － TS
细晶的优点 ： 晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小， 则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金 属机械性能的最重要的途径之一
第二节 合金的相结构
合金与相的概念 固溶体 金属化合物
一 合金与相的概念
合金 ( alloy )
是指两种以上的金属或金属与非金属元素， 经熔炼、烧结或其它方法使之结合在一起而形成的具有金属特性 的物质。
(四）.结晶的一般规律: 形核、长大。
均匀形核与非均匀形核
均匀形核（自发形核）： 由均匀液体母相中任意地统计地形成核 心称为均匀形核。
结晶热力学 Thermodynamics of Crystallization
GT 4 r 3Gv 4r 2 S L 3
r
*
*
2 SL G v
在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝 固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。
二、 结晶的现象与规律
(一）.结晶的一般过程
形核
长大
晶体
液态结构------------固态结构
原子间的平均距离大—————— 略小； 原子配位数8-11———————— 12（Hcp） 原子排列 短程有序，长程无序 ——— 长程有序，短程有序 原子集团 结构起伏 ——— — 原子集团基本固定不变
纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图
第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
一、 凝固与结晶
1.凝固
指物质由液态转变成固态的过程。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
2.结晶 *物质在凝固过程以晶体的形态发
生凝固时，称为结晶。
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼
来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态， 固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影 响材料的性能。
3 凝固状态的影响因素
1. 物质的本质 2. 熔融液体的粘度 3. 熔融液体的冷却速度 金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。
液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子 集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融 化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。
晶核按枝晶方式张长大
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
第二节 纯金属中晶体的生长及晶粒形状
结晶的过程
2.金属结晶的结构条件
结晶
近程有序，结构起伏
远程有序
第二节 纯金属的结晶
（四）晶核的长大
长大条件：液/固界面附近液体中的原子迁移到固态表面按固体 的排列，实现了晶体的长大（反之为熔化）。长大的自发过程也 要求一定的过冷度，不过比形核小的多。金属材料要求的过冷度 很小，仅0.01—0.05℃。 平面推进的均匀长大：结晶潜热通过固体散热，快速长大部分散 热困难会放慢速度，缓慢长大部位散热改善会提高速度，最终均 匀生长。 有利环境优先的树枝状长大：生 长部位的前端因温度（合金中可 因成分）有利晶体的长大，快速 生长部位更快，不平衡的发展会 在快速生长部位产生分支，而形 成树枝状的晶体。
激冷层
柱状晶 等轴晶
单晶的凝固
4、晶粒大小的概念
晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大 小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来 计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒 度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比 评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的 定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级， 数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平 均截线长来表示。
影响晶核的形核率和晶体长大率的因素 1)过冷度 2）未熔杂质
在一般工业条件下，急冷， △T增大，N、G值增大，晶粒 (crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越 粗，性能越差。
(五）.细化晶粒的方法
1 提高冷却速度 2 变质处理 3 机械振动、超声波振动、搅拌。
Ghet 4 r 3Gv 4r 2 SL S( )
3
S（θ）=（2 + cosθ）（1 - cosθ）2/4
均匀形核与非均匀形核核心临界半径的比较
临界半径与过冷度的关系
r
*
2Tm H f T
晶核的形成
晶核形成的形式:
*自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核）
G hom
均匀形核与非均匀形核
非均匀形核：
液体在容器壁、未溶杂质或者其它固体结构 材料表面上形核的过程 。
均匀形核与非均匀形核
2 SL r G v *
γML =γSM +γSLcosθ
cosθ=(γML-γSM )/γSL
ΔGhet = -VSΔGV + ASLγSL + ASMγSM - ASMγML
U － 为系统的内能， T － 热力学温度 S － 熵（表示系统中原子排列混乱程度的参数）
（三）结晶的条件
1、能量条件
对于固态 对于固态
GS ＝ US － TSS Gl ＝ Ul － TSl
G
△G
L S
△T
T
（三）结晶的条件
2、结构条件
固体晶体中原子排列是周期性、有序的，因 此，晶体材料在凝固时，它必须满足一定的原子 排列规则才能够形成晶体结构，即发生结晶。
组元 ( 元 ) ( element )
元素，也可以是化合物。
组成合金的基本物质，可以是
相 ( phase )
合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面 相互分开的组 成部分。
显微组织 ( microscopic structure )
结晶的过程 液体中形成核心 核心Байду номын сангаас大
（二）结晶时的过冷现象
温 度 To Tx
Undercooling in Crystallization
理论冷却曲线
△T
过冷度： Tm
△T = To — Tx
实际冷却曲线
过冷是结晶 的必要条件
时间
（三）
结晶的条件
1、能量条件
自由能G是表示物质能量状态的函数，其表 达式为： G ＝ U － TS
细晶的优点 ： 晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小， 则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金 属机械性能的最重要的途径之一
第二节 合金的相结构
合金与相的概念 固溶体 金属化合物
一 合金与相的概念
合金 ( alloy )
是指两种以上的金属或金属与非金属元素， 经熔炼、烧结或其它方法使之结合在一起而形成的具有金属特性 的物质。
(四）.结晶的一般规律: 形核、长大。
均匀形核与非均匀形核
均匀形核（自发形核）： 由均匀液体母相中任意地统计地形成核 心称为均匀形核。
结晶热力学 Thermodynamics of Crystallization
GT 4 r 3Gv 4r 2 S L 3
r
*
*
2 SL G v
在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝 固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。
二、 结晶的现象与规律
(一）.结晶的一般过程
形核
长大
晶体
液态结构------------固态结构
原子间的平均距离大—————— 略小； 原子配位数8-11———————— 12（Hcp） 原子排列 短程有序，长程无序 ——— 长程有序，短程有序 原子集团 结构起伏 ——— — 原子集团基本固定不变
纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图
第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
一、 凝固与结晶
1.凝固
指物质由液态转变成固态的过程。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
2.结晶 *物质在凝固过程以晶体的形态发
生凝固时，称为结晶。
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用冶炼
来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才得到固态， 固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关，从而也影 响材料的性能。
3 凝固状态的影响因素
1. 物质的本质 2. 熔融液体的粘度 3. 熔融液体的冷却速度 金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。
液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子 集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融 化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。
晶核按枝晶方式张长大
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
第二节 纯金属中晶体的生长及晶粒形状
结晶的过程
2.金属结晶的结构条件
结晶
近程有序，结构起伏
远程有序
第二节 纯金属的结晶
（四）晶核的长大
长大条件：液/固界面附近液体中的原子迁移到固态表面按固体 的排列，实现了晶体的长大（反之为熔化）。长大的自发过程也 要求一定的过冷度，不过比形核小的多。金属材料要求的过冷度 很小，仅0.01—0.05℃。 平面推进的均匀长大：结晶潜热通过固体散热，快速长大部分散 热困难会放慢速度，缓慢长大部位散热改善会提高速度，最终均 匀生长。 有利环境优先的树枝状长大：生 长部位的前端因温度（合金中可 因成分）有利晶体的长大，快速 生长部位更快，不平衡的发展会 在快速生长部位产生分支，而形 成树枝状的晶体。
激冷层
柱状晶 等轴晶
单晶的凝固
4、晶粒大小的概念
晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大 小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来 计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒 度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比 评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的 定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级， 数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平 均截线长来表示。
影响晶核的形核率和晶体长大率的因素 1)过冷度 2）未熔杂质
在一般工业条件下，急冷， △T增大，N、G值增大，晶粒 (crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越 粗，性能越差。
(五）.细化晶粒的方法
1 提高冷却速度 2 变质处理 3 机械振动、超声波振动、搅拌。
Ghet 4 r 3Gv 4r 2 SL S( )
3
S（θ）=（2 + cosθ）（1 - cosθ）2/4
均匀形核与非均匀形核核心临界半径的比较
临界半径与过冷度的关系
r
*
2Tm H f T
晶核的形成
晶核形成的形式:
*自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核）