第4章 纯金属的凝固-课件（PPT·精·选）.ppt

2018/5/27
材料科学基础
主讲教师:王亚男
2018/5/27
第4章纯金属的凝固
结晶的过冷现象
结晶的热力学条件
液态金属的结构
纯金属的结晶过程
形核规律
长大规律
凝固理论的应用
小结
思考题
由液相至固相的转变称为凝固,凝固后的固体是晶体,又称为结晶。
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纯金属的冷却曲线
Tm—理论结晶温度(熔点) Tn —实际结晶温度
由图可见:开始T↓,到Tm并不结晶,而到Tn 才开始结晶,结晶中放出结晶潜热补偿了冷却时散失的热量,使T不变,曲线上出现“平台”,结晶完毕后,T又随τ↑而↓。
结晶的过冷现象
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金属的Tn总低于Tm这种现象,叫过冷现象。
金属的实际结晶温度(Tn)与理论结晶温度(Tm)之差,称为过冷度,用ΔT表示。
ΔT = Tm — Tn
ΔT不是恒定不变的,它取决于:
a. 金属的纯度↑,ΔT ↑;
b. 冷却速度↑,Tn↓,ΔT↑。
可见,过冷是金属结晶的必要条件(不过冷就不能结晶)。
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GL,GS随T↑而↓,但GL↓>GS ↓,相交,交点对应的温度就是Tm。
液、固相自由能随T变化曲线
结晶的热力学条件
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讨论: 当T=Tm时,GL=GS ,动态平衡,不熔化也
不结晶; 当T>Tm时,GL<GS ,L稳定,发生熔化;
当T<Tm时,GL>GS ,S稳定, 发生结晶。
可见,结晶的热力学条件是:
GS<GL或ΔG = GS-GL<0满足此条件要有ΔT, ΔT↑,ΔG↑。
ΔT —是结晶的必要条件(外因)ΔG —是结晶的驱动力(内因)
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如图所示,液态金属的结构介于气体(短程无序)和晶体(长程有序)之间,即长程无序、短程有序。液态金属中存在许多微小的规则排列的原子集团,称为“近程规则排列”。
液态金属的结构
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每一瞬间都出现大量尺寸不同的结构起伏,所以过冷液态中的结构起伏,是固态晶核的胚芽,称为晶胚。晶胚达到一定尺寸,能稳定成长而不在消失,称为晶核。
结晶的实质:就是从近程规则排列的液体变成远程规则排列的固体过程。
而实现这个过程靠形核和长大两个过程交错重叠组合而完成。
液态金属中处于时而形成、时而消失、不断变化的“近程规则排列”的原子集团,称为结构起伏。
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纯金属的结晶过程
结晶:是晶体在液相中从无到有,由小变大的过程。从无到有可看作是晶体由“胚胎”到“出生”的过程,称为生核;由小变大可以看作是晶体出生后的成长过程,叫长大。结晶过程可描述如下:
结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错重叠组合而成的过程。
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形核规律
结晶条件不同,会出现两种不同的形核方式:
均匀形核:新相晶核是在母相中均匀生成,不
受杂质粒子的影响。
非均匀形核:新相优先在母相中存在的杂质处
形核。
实际金属的结晶多以非均匀形核为主,但研究均匀形核可以从本质上揭示形核规律,而且这种规律又适用于非均匀形核。