材料科学基础课件第三章纯金属的凝固

金属及合金的生产、一般都要经过熔炼与铸造，通过第一节 §3.1.1图(5)由X射线分析结果表明，在Tm附近的液态金属中的 提出了准晶体结构模型，即认为在略高于 1965～1970年，等人提出了随堆模型(非晶体模型)来描述液体结构。这个模型的基本点是认为液态结构属§3.1.2当液态金属冷却到 Tm以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率，用N表示，单位为cm-3s-1。单位时间内晶核增长的线长度叫做长大速度，用u表示，单位为cms-1。 图§3.2.1从温度—时间曲线（冷却曲线）有两个宏观现象：过冷和总比其 Tm低，这种现Tm与Tn的差值⊿T叫做过

图 不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度也不是恒金属由液体冷凝成固体时要放出凝固潜热，如果这一部分§3.2.2GHTSGS温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的 自由能随温度变化的关 GLGSGHS HLSL(HSSSHLHST(SLHLHS 为熔化潜热，T时，GV 0 T （Tm T） TTT TTT 第三节形核规律自发形核(均匀形核)：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子 变得稳定，不再 成为结 非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶 ，这个过程叫非

§3.3.1§3.3.1

总自由能增加，因此这种晶胚不能r>r*，其进一步长大将导致体系自由能减小，因此半径大于r*的晶r=r*，其长大的趋势和熔化的趋把半径恰为r*的晶核称为临界晶核，而r*

TVT

r>r*的晶核长大时，虽然可以使系统自由能下降，但形成一个临界晶核本身要引起系统自由能增加⊿GCr G4 V V

1Am 3(G 3(L 3m 形成临界晶核时，液、固两相之间的自由能差只提供所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一则需由液体中的能所谓能量起伏是指体系中微小体积所具有的能量偏离体系能量起伏包括两个含义：一是在瞬时，各微观体积的能量不同，二是对某一微观体积，在不同瞬时，能量分布不同。在具有高能量的微观地区生核，可以全部补偿由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的原 液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此起相起伏是产生晶核的基础。当把金属熔液过冷 下 （a）ΔT=ΔTkrmax=rk。。形核率受两个互相的因素控制：一方面从热力学考虑，过冷度愈大，晶核的临界半径及临界形核功愈小，因但另一方面从动力学考虑，过冷度愈大，原子活动能力愈小，原子从液相转移到临界晶核上的几率减小，不利于 图温度对N1、N2的影响（a）和形核率与温度的关系 §3.3.2VrV

23coscos3 当θ＝0时，则⊿G*非＝0当θ＝π时，则⊿G*非＝⊿G*当0＜θ＜π时，G*非＜⊿G*均，这便是非均匀形核的 非均匀形核时的形核率表达式与均匀形核相似。只是由于非＜⊿均非均匀形核的最大形核率小于均匀形核。其原因是非均匀不是任何固体杂质均能作为非均匀形核的基底促进非均匀 第四节长大规律-一旦形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。系统总自由能随晶体体积的增加而下降是晶体长大的驱动力。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核 §3.4.1液-图光滑界面（a）和粗糙界面（b） 界面(Smoothinterface)和粗糙界面(Roughinterface)两种。GsT

x(1x) x x(1x)ln(1k ,a α＜2时，在x＝0.5处，界面不同α值下⊿G

§3.4.2与其液- 具有粗糙界面的物质，液-固相界面上有大约一半的原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称为垂直生长机 晶体中不同生长晶面族中，原子最密排面的面距最大。在 由于二维晶核的形成需要一定的形核功，因而需要较强如果结晶过程中，在晶体表面存在着垂直于界面的螺位错 §3.4.3(a)正温度梯度(b)靠近模壁的液体首先过冷而凝固。而在铸模中心的液体温度最高，液体的热量和结晶潜热通过固相和模壁传导而迅速散在缓慢冷却条件下，液体内部的温度分布比较均匀并同时过冷到某一温度。这时在模壁上的液体首先开始形核长大，液-固相界面上所产生的结晶潜热将同时通过固相和液相传导1对于粗糙界面的晶体，其生长界面以垂直长大方式推进。由于前方液体温度高，所以生长界面只能随前方液体的逐渐对于光滑界面结构的晶体，其生长界面以小平面台阶生 到前方温度高于Tm的液体中去，因此，从宏观来看液-固相界面似与Tm等温线平行，但小平面与Tm 在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为平面状生长。(a)粗糙界 (b)光滑界 2晶体生长界面一旦出现局部凸出生长，由于前方液体具有面就不可能继续保持平面状而会形成许多伸向液体的结晶晶体的这种生长方式称为树枝状生长。在树枝晶生长时在负的温度梯度下，对于粗糙界面结构的金属晶体，明显 第五节§3.5.1工业上将通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强大的形核率以保证单位时间、单位体积液体中形成 Al-Mg §3.5.2下降功率法是将金属液体注入带水冷底板的铸模中，然快速逐步凝固法是将金属液浇入带水冷底板的铸型后，保 §3.5.3单晶硅、锗是制造大规模集成电路的基本材料。近百种氧 目前，单晶材料已成为计算机技术、激光技术及光通讯技

2的然后将容器从炉中缓慢尖头首先移出炉外缓冷，

§3.5.4急冷凝固技术是设法将熔体分割成尺寸很小的部分，增大熔体的散热面积，再进行高强度冷却，使熔体在短时间内凝固以获得与模铸材料结构、组织、性能显著不同的新材采用急冷凝固技术可以出非晶态合金、微晶合金及准晶态合金，为高技术领域所需的新材料的获取开辟了一条模冷技术是将熔体分离成连续和不连续的、截面尺寸很小雾化技术是把熔体在离心力、机械力或高速流体冲击力作表面快热技术即通过高密度的能束如激光或高能扫表层得到快速冷却。也可利用高能加热金属粉末使之 1非晶态金属具有一系列突出的性能，如具有很高的室温强由于非晶态无晶界、相界、无位错、无成分偏析，所以有 2利用急冷技术可以获得晶粒尺寸达微米(µm和纳米(nm)的微晶结构材料因晶粒细小、成分均匀，空