哈工大金属学与热处理课件3

第二章纯金属的结晶

结晶：

金属由液态转变为晶体金属的过程

——金属生产的第一步

本章目的：

1介绍金属结晶的基本概念和基本过程

2阐明金属实际的结晶组织及其控制一、结晶的概念与现象结晶概念:物质由液态转变为具有晶体结构的固相的过程称为～§1金属的结晶

纯金属结晶时的热分析曲线特点：

——冷却曲线(T-t)低于熔点才发生结晶存在结晶平台1金属结晶的宏观现象：

(1)过冷现象

金属在低于熔点的温度结晶的现象

(2)结晶过程伴随潜热释放结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程:

（1）形核

从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程（2）长大晶核由小变大长成晶粒的过程

——实际金属最终形成多晶体注：单个晶粒由形核→长大多个晶粒形核与长大交错重叠

**当只有一个晶核时→单晶体

**晶核越多，最终晶粒越细二金属结晶的条件1

热力学条件

热力学：研究系统转变的方向和限度

——转变的可能性热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。即ΔG=G(转变后)－G(转变前)<0时转变会自发进行G:体系自由能T:热力学温度S:熵，表征体系中原子排列混乱程度的参数

纯金属恒压条件下在液态、固态时的自由能GS

、GL

随温度的变化如下：斜率不同的原因：

S液>S固结晶时只有存在ΔT

才能保证：ΔGV=GS

－GL<0

从而使L→S┗结晶存在过冷度ΔT的原因——存在过冷度是结晶的必要条件过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值另可推出：

结晶潜热——过冷度越大，相变驱动力越大2结构条件

液态金属结构特点：(1)原子间距等与固态相近,与气态迥异

(2)短距离的小范围内存在近似于固态结构的规则排列

——短程有序晶体：长程有序结晶的实质：

由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。

液相中近程规则排列的原子集团称为“相起伏”相起伏特点：

(1)瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏,变化不定;瞬时2

瞬时1——又称为结构起伏。相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出现的几率不同，过大或过小的相起伏出现几率均小;

(3)过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。

——过冷液体中的相起伏称为晶胚液体中存在足够大的稳定晶坯即“晶核”┗结晶的结构条件另：能量起伏条件三、形核形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。1均匀形核指从过冷液体中依靠稳定的原子集团自发形成晶核的过程.（1）临界晶核半径结晶驱动力：GS

－GL

结晶阻力：表面能假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：

ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能假设晶胚为球体，半径为r，则：

ΔG=－4/3·πr3·ΔGV+4πr2·σ假设晶胚体积为V,表面积为S，则系统总的自由能变化：

ΔG=－V·ΔGV+S·σ单位面积表面能液固两相单位体积自由能分析右图：当r>r0时，①系统的ΔG<0

结晶过程可发生；

——形成稳定晶核②

随r↑，ΔG↓

晶核长大为系统自由能降低过程；

——晶核可长大r0当r<r0时，

ΔG>0,热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：①当r<rk时，随r↑，ΔG↑——晶胚尺寸减小为自发过程→会瞬间离散,只能保持结构起伏状态，不能长大。r0②当rk<r<r0时，随r↑，ΔG↓┗晶胚长大为自发过程即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的。r0注意：实际当rk<r<r0时，ΔG>0,按热力学理论L→S不能发生，然而:rk：为临界晶核尺寸原因:——过冷液体中存在能量起伏,其中高能区可能使ΔG<0。r0微分,求得：

rk＝2σ/ΔGV

＝2σ·Tm/(Lm·ΔT)——临界晶核尺寸

临界晶核半径与过冷度的关系：随ΔT↑，

rk↓；即过冷液体中最大晶胚尺寸＝rk时的ΔTΔTk:晶胚→晶核

——临界过冷度（2）形核功以及形核时的能量起伏现象事实上，当r＝rk时系统的ΔG>0,此时：结晶总阻力

形核功：过冷液体形核时的障碍

ΔGk＝1/3·(4πr2k)·σ

＝1/3·Sk·σ代入球形晶胚自由能表达式可得：

事实上，只要r>rk,即为稳定晶核。原因：液体中除结构起伏外，还存在能量起伏故形核功可以依靠能量起伏来补偿结论：

除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件

形核功的影响因素：——随ΔT↑，ΔG↓↓即：增大过冷度，可显著降低形核阻力

（3）形核率（N=cm-3s–1）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义:N越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。形核率控制因素:

N=N1•N2N1─受形核功影响的因子；(ΔT↑,N1↑)N2─受扩散控制的因子。(ΔT↑,N2↓)

┗ΔT对N的影响矛盾、复杂实际纯金属：随ΔT↑,N↑;

且ΔT=0.2Tm金属玻璃2非均匀形核（非自发形核）：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。见教材50：公式2－22图2－11非均匀形核特点：

形核功↓；

ΔT=0.02Tm

┗远小于均匀形核

结晶时形核要点1、必须要有过冷度ΔT，晶胚尺寸r>rK。2、rK与ΔT成反比。ΔT↑rK↓。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏