2.1.2.3 形核与形核率(3)形核控制.ppt

1、2020/7/21,1,研究形核规律是为了控制形核。 对凝固过程的形核进行有效控制可以实现对凝固组织的控制。形核过程的控制包括促进形核、抑制形核和选择形核三个不同方面 1）促进形核 在普通铸件和铸锭的凝固中人们通常希望获得细小的等轴晶组织以提高力学性能。 为此，常常采用各种特殊措施促进形核，提高形核速率。,4 形核控制,目录,2020/7/21,2,常见控制形核方法 增大冷却速率，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落； 采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细小的等轴晶组织。 添加晶粒细化剂，促进异质形核；

2、 形核剂 在液态金属中加入形核剂以促进非均匀形核。从而达到细化晶粒、改善性能的目的。 促进非均匀形核的衬底物质可以是形核剂本身，也可以是它与液态金属的反应产物。,目录,2020/7/21,3,关键问题: 如何选择合适的形核剂。 由非均匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角； 其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定， 并且具有最大的表面积和最佳的表面特性 (如表面粗糙或有凹坑等)。,目录,2020/7/21,4,润湿角是由结晶相、液相和固相之间的界面能所确定 若不考虑温度的影响，对给定金属而言，LC是一定值； 在一般情况下，LS与LC的值也相近，故润湿

3、角主要取决于CS的大小。 CS越小，衬底的非均匀形核能力就越强。 CS何时小？,目录,2020/7/21,5,界面共格对应 界面共格对应理论认为，在非均匀形核过程中，衬底晶面总是力图与结晶相的某一最合适的晶面相结合，以便组成一个CS最低的界面。 因此界面两侧原子之间必然要呈现出某种规律性的联系，这种规律性的联系称为界面共格对应。 界面共格对应条件： 只有当衬底物质的某一个晶面与结晶相的某一个晶面上的原子排列方式相似，而其原子间距相近或在一定范围内成比例时，才能实现界面共格对应。,目录,2020/7/21,6,点阵畸变，可用点阵错配度来衡量 当0.05时，通过点阵畸变过渡可以实现界面两侧原子之间

4、的一一对应。 这种界面称完全共格界面，其界面能CS较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。 当 0.050.25时，通过点阵畸变过渡和位错网络调节，可以实现界面两侧原子之间的部分共格对应，这种界面称部分共格界面。,目录,2020/7/21,7,部分共格界面，其界面能稍高，衬底具有一定的促进非均匀形核的能力。 但随的增大，衬底的促进形核作用逐渐减弱，直至完全失去作用。 研究表明，在值较小情况下，非均匀形核临界过冷度与之间的关系为：,目录,2020/7/21,8,界面共格对应理论实验验证 镁和-锆 同为密排六方晶格， 镁的晶格常数 a = 0.3209nm，c = 0.5210nm； 锆晶格常数，a

5、= 0.3210nm，c = 0.5133nm， 锆的熔点(1852)远高于镁(650)， 因此锆是镁的非常有效的形核剂。 溶有微量锆的镁合金在冷却过程中通过包晶反应 析出高弥散度的-锆，可以直接作为镁的晶核，从而显著地细化晶粒。,目录,2020/7/21,9,钛和铜 晶格结构不同， 但钛的密排六方晶格(a=0.29506nm，c=0.4678nm)的0001面 和铜的面心立方晶格(a=0.3615nm)的111面 具有相似的原子排列方式，其原子间距也相近， 因此钛也是铜合金的有效形核剂。,目录,2020/7/21,10,该理论的局限性 由于点阵错配而引起的晶格畸变是共格型界面能的主要来源，但

6、决非惟一来源 。 近代研究表明，物质表面具有一个偏离内部正常结构的过渡层。 影响非均匀形核的其他因素，如LS与LC的大小、形核剂的稳定性以及表面的几何形状和粗糙度等可能有时起着更大的作用。 到目前为止，工业上的有效形核剂都是通过试验获得的 例：纳米晶粒细化剂，效益,目录,2020/7/21,11,2）抑制形核,为了获得单晶，或实现大过冷度下的凝固，或使形核过程完全被抑制而得到非晶态材料，需要抑制晶核的形成。 由于形核伴随着原子的迁移，是在一定的时间内完成的，因而快速冷却是抑制形核的途径之一。但冷却速率必须足够大，否则液态合金反而获得较大的过冷度，使形核速率增大。(I) 抑止非均匀形核，方法？ 去除液相中的固相质点是抑制异质形核的主要途径，常用的方法是循环过热法和熔融玻璃净化法。 坩埚表面可能成为异质形核的基底，采用悬浮熔炼或熔融玻璃隔离是抑制形核的有效措施。,目录,2020/7/21,12,3）选择形核,当合金液在远离热力学平衡的大过冷度