金属凝固理论

1、2021/8/612021/8/62凝固凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注的问题。核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注的问题。 严格地说，凝固包括：严格地说，凝固包括：（1）由）由液体向晶态固体液体向晶态固体转变（结晶）转变（结晶）（2）由）由液体向非晶态固体液体向非晶态固体转变转变（玻璃化转变玻璃化转变） 常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本章主常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本章主要讨论要讨论纯金属结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学纯金属结晶过程的

2、形核及晶体生长热力学与动力学。 2021/8/632021/8/642021/8/652021/8/662021/8/67热力学条件：热力学条件： LS, G0, 过程自发进行过程自发进行STHTSHTSHGGGSSLLSLv)()(mmmVTTLTTTLG)(T=Tm时，时，0STHGmvmmTLTHS/故故GV只与只与T有关。因此液态金属（合金）凝固的驱动力是有关。因此液态金属（合金）凝固的驱动力是由过冷度提供的，或者说过冷度由过冷度提供的，或者说过冷度T就是凝固的驱动力。就是凝固的驱动力。图1 液-固两相自由能与温度的关系2021/8/68图图2 金属原子在结晶过程金属原子在结晶过程中的

3、自由能变化中的自由能变化2021/8/69K0 1C0K0C0/K0TC*SC*LC0C， %T*LSCCK02021/8/6102021/8/6112021/8/6122021/8/613液相中形成球形晶胚时自由能变化液相中形成球形晶胚时自由能变化SLSVAVGVGSLVrGrG234342021/8/614VSLGr2THTmmSL223316THTGmmSL2021/8/615SLAG31经推导得：经推导得：2021/8/616I T* 0.2Tm T 均质形核的形核率均质形核的形核率 与过冷度的关系与过冷度的关系形核率：是单位体积中、单位时间内形成的晶核数目。形核率：是单位体积中、单位

4、时间内形成的晶核数目。KTGKTGCIAexpexp2021/8/6172021/8/618hoheGG)coscos32(413hoGf)( 当当0 时，时，Ghe = 0，此时在无过冷情况下即可形核，此时在无过冷情况下即可形核 当当180 时，时， Ghe = Gho一般一般远小于远小于180， Ghe 远小于远小于Gho。 如图所示。如图所示。THTGrmmLCVLC22*2021/8/619 T*T*IheIheIhoT* IT2021/8/620完完全全不不共共格格。完完全全共共格格；%,25%,5%100NNCaaa错配度2021/8/6212021/8/6222021/8/623

5、2021/8/6242021/8/625如何判断凝固界面的微观结构？如何判断凝固界面的微观结构？设晶体内部原子配位数为设晶体内部原子配位数为，界面上（某一，界面上（某一晶面）的配位数为晶面）的配位数为，晶体表面上，晶体表面上N个原子个原子位置有位置有NA个原子（个原子（ ），则在熔），则在熔点点Tm时，单个原子由液相向固时，单个原子由液相向固-液界面的固液界面的固相上沉积的相对自由能变化为：相上沉积的相对自由能变化为：NNxA)1ln()1 (ln)1 (xxxxxxkTHNkTFmmSm )1ln()1 (ln)1 (xxxxxax2021/8/626mkTHamfmmSTH/ 凡属凡属 5

6、的物质凝固时界的物质凝固时界面为面为光滑面光滑面， 非常大时，非常大时，FS的两个最小值出现在的两个最小值出现在x0或或1处（晶体表面位置处（晶体表面位置已被占满）。已被占满）。有机物及无有机物及无机物属此类机物属此类； =25的物质，常为多种的物质，常为多种方式的混合，方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。等属于此类。2021/8/6272021/8/6282021/8/6292021/8/6302021/8/631（1）二维晶核机制：二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须 再产生二维晶核；再产生二维晶核；（2）螺旋位错机制：螺旋位错机制：这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失；这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失；（3）孪晶面机制：孪晶面机制：长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。2021/8/6322021/8/633