《材料科学基础》课件之第六章-----06材料凝固.ppt

第六章材料凝固
材料凝固基本规律
形核和长大
固溶体凝固
共晶合金凝固
凝固组织及其控制和应用
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材料凝固基本规律
凝固:物质从液态到固态的转变过程。
也称为结晶过程。
凝固过程中各种条件不同,使内部组织结构不同,晶体的物理、化学和力学性能也会发生改变。
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一、液态结构
液体中原子间距大于固体
密排结构固体的液态配位数减少,体积增大,非密排结构相反
液态原子排列混乱度增大
长程无序,短程有序
局部的有序与无序随原子热运动不断形成和消失
形成结构起伏和能量起伏
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二、凝固热力学条件
结晶的驱动力:自由能差。
结晶的能量条件:存在结晶过冷度(△T=T0 –Tn)
T< Tm是结晶的必要条件
液态
T0
T
Tn
△G
G
△T
固态
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三、过冷现象
过冷现象:实际结晶温度总是低于平衡结晶温度。温差值称为过冷度。受到杂质、冷速等影响。
即ΔGV与ΔT呈直线关系,过冷度越大,液态和固态的自由能差值越大,相变驱动力越大,凝固过程加快。
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四、结晶一般过程
结晶的两个过程:晶核形成、晶核长大
形核率:单位时间、单位体积液体形成晶核数量。
长大速度:晶核生长时,液/固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。
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形核和长大
固体
晶核
形核方式:
均匀形核:晶核直接在液相中形成。
非均匀形核:晶核附在液相中已有固体的表面形成。
一、晶体形核
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T<Tm,液相中时聚时散的短程有序原子集团,成为均匀形核的“胚芽”或称晶胚,内部的原子呈现晶态的规则排列,外层原子与液体中不规则排列的原子相接触而构成界面。
均匀形核
存在临界晶核,其半径rk
当r< rk ,长大使ΔG增加,晶核熔化
当r= rk,熔化长大都可能
当r> rk ,长大使ΔG减小,晶核长大
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形核功
临界晶核时,有
分别带入相关方程式
形成临界晶核时自由能增加,与ΔT2反比
过冷度越大,临界晶核越小,形核功越小,形核几率增大
熔点时无形核
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形核功与表面能
临界形核时的能量增高等于表面能的1/3,液/固能量差可补偿2/3表面能,另外1/3靠液体中的能量起伏补足。
形核要在一定的过冷条件下才可能,此时液体中的结构起伏和能量起伏瞬间满足形核条件,晶胚继续长大。
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