材料科学基础之材料的凝固(38页).ppt

第四章材料的凝固
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第四章材料的凝固
前言
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。
如果液态转变为结晶态材料,这个过程又叫做结晶。结晶过程是一相变过程,掌握结晶过程的规律可为今后研究固态相变的普遍规律打下基础,对控制产品质量、提高性能也是非常重要的.
第一节液态结构
晶体材料在液态时的结构介于晶态与气态之间,它不像晶体中那样原子作规则的三维排列,但也不像气体中原子那样任意地分布着。
x-射线衍射发现:(1) 液体中原子间的平均距离比固体中略大;(2) 液体中原子的配位数比密排结构的固体的配位数减少,通常在8~11范围内。
现代液态金属结构理论认为,液态中原子是密集堆集的。从长程来说是无序、无规则排列的;而在短程范围内,原子某一瞬间是接近晶态的规则排列。
第一节液态结构
液态金属中短程有序的原子集团就是晶胚。在一定条件下,大于一定尺寸的晶胚就可能成为晶核。
晶胚在液相中各微小区域内此起彼伏的现象称为“结构起伏”。
不同的结构对应着一定的能量状态,加上原子之间能量的不断传递,因此结构起伏将伴随着局部能量也在不断变化,即局部微小区域具有的实际能量偏离平均能量水平而呈现瞬时涨落,这种现象就称为“能量起伏”。
第二节凝固的热力学条件和过程
纯金属的吉布斯自由能
在恒温恒压条件下,液、固两相的自由能G 均可用下式表示:
式中H是热焓,T是绝对温度,S是熵。可导出:
dG=Vdp – SdT
在恒压下,dp=0,故上式简化为
由于熵S恒为正值,所以液、固两相的自由能均随温度的升高而减小。
根据液固金属自由能G与温度关系曲线如图3-3可知,GL=Gs 所对应的温度Tm即理论平衡结晶温度,当T<Tm时,Gs<GL两者之差值即为结晶的驱动力。过冷度越大,结晶的驱动力也越大,过冷是结晶的热力学条件。
第二节   结晶的热力学条件和过程
第二节   结晶的热力学条件
结晶的过冷现象
采用图3-2热分析装置,将熔化的金属缓慢冷却,并将冷却过程中的温度和时间记录下来,就得到温度─时间关系曲线即冷却曲线。从冷却曲线可见,纯金属的实际结晶温度(Tn)低于理论结晶温度(Tm),即结晶过程是在存在ΔT(ΔT=Tm-Tn)的条件下进行的。
过冷现象
液态材料冷却到Tm之下的某一温度Tn时开始凝固,过程开始后,由于释放出结晶潜热而使温度回升到略低于Tm的温度。此后,因为结晶潜热的释放刚好补偿冷却过程中向外界散失的热量,这样凝固过程就在一恒定温度下完成,冷却曲线上出现“平台”,凝固完成后由于没有结晶潜热抵消散失的热量,温度又继续下降。
T最大过冷度。
晶体材料凝固的一般过程
T<Tm,经过一定时间后就会形成一批小晶体,这些小晶体就叫做晶核。
晶核按其原子规则排列的各自取向长大,与此同时另一批新的晶核又开始形成和长大,上述过程一直延续到液体全部耗尽为止。
材料的凝固过程包括晶核的形成和晶核生长两个基本过程。显然,每个晶核生长至互相接触后,将形成外形不规则的小晶体,叫做晶粒。晶粒之间的分界面为晶粒的边界,简称晶界。一般条件下,凝固后的材料都是由许多晶粒组成的多晶体,由于各个晶核形成的位置和取向是随机且均匀分布的,因此凝固后各晶粒的尺寸和取向也为随机均匀分布,它将抵消各个晶粒的各向异性,而呈现“伪各向同性”。
纯金属的结晶过程
液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。当液态金属冷却至熔点以下,经过一定时间的孕育,就会涌现一批小晶核,随后这些晶核按原子规则排列的各自取向长大,与此同时又有另一批小晶核生成和长大,直至液体全部耗尽为止。
每个晶核长大至相互接触后,形成外形不规则的小晶体叫做晶粒,由多个这样的小晶粒则组成了多晶体。晶粒之间的界面即为晶界。其中由一个小晶核生成的晶粒称为单晶体。