材料科學基礎-第5章

1、第五章 晶體生長與晶體缺陷 概述 5.1 液體的性質和結構 5.2 凝固的熱力學條件 5.3 形核過程 5.4 晶體的長大 5.5 鑄錠的組織 5.6 單晶體的凝固第五章 晶體生長與晶體缺陷 5.7 玻璃態(tài)與金屬玻璃 5.8 點缺陷 5.9 線缺陷 5.10 面缺陷 絕大多數(shù)的金屬制品，在其加工制造的最初階段，都在熔煉后鑄造，使其凝固為鑄錠或鑄件。鑄錠和鑄件的組織和性能與其凝固過程行密切的關系：本章首先介紹凝固過程的有關知識，其中將著重討論晶核的形成以及晶體長大過程的基本理論和規(guī)律，并運用這些基本概念分析金屬鑄淀組織的形成過程概述概述 實際 晶體并不像第一章所討論的那樣絕對有規(guī)則的理想晶 體，

2、而是存在不同形式但又有某些規(guī)則性的缺陷，這些缺對 于晶體的性能和在其中進行的許多物理化學過程有重要的影 響。木章接著簡要介紹晶體中存在的點缺陷、緒缺陷和面缺陷 及其主要特征。晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程形核形核晶體的生長晶體的生長凝固體的結構凝固體的結構5.1晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程1 1、凝固與結晶、凝固與結晶 引子：自然界的物質通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且引子：自然界的物質通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉變。在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉變。凝固凝固：一切物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變過程的統(tǒng)稱。：一切物質從液態(tài)到固態(tài)的轉變

3、過程的統(tǒng)稱。結晶結晶：晶體的形成形成過程。：晶體的形成形成過程。凝結蒸發(fā)凝固熔化凝華升華晶體的形成過程包括，原始相可以是氣體晶體的形成過程包括，原始相可以是氣體(凝華凝華)、液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉變未另一種晶體。液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉變未另一種晶體。意義意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結構與從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結構與從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關，從而也

4、影響材料的性能。程有關，從而也影響材料的性能。一、概述一、概述2 2、凝固狀態(tài)的影響因素、凝固狀態(tài)的影響因素 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程引子：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可引子：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面。以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面。物質的本質物質的本質：原子以那種方式結合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。：原子以那種方式結合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時原子活動能力強排列紊亂能量低，而低溫下按特定方溫度高時原子活動能力強排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結合能高可降低其總能量。這

5、是熱力學的基本原則。式排列結合能高可降低其總能量。這是熱力學的基本原則。熔融液體的粘度熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的阻力，隨溫：粘度表征流體中發(fā)生相對運動的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達結晶轉變溫度前，粘度增加到度降低，粘度不斷增加，在到達結晶轉變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質發(fā)生流動時，即可以保持固定的形狀，能阻止在重力作用物質發(fā)生流動時，即可以保持固定的形狀，這時物質已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結晶。例如玻璃、高分子材料。這時物質已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結晶。例如玻璃、高分子材料。熔融液體的冷卻速度：熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達結晶溫度原子來不及冷卻速度快，到達結晶溫

6、度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時難以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。金屬材料需要達到可以將無規(guī)則排列固定下來。金屬材料需要達到10106 6/s/s才能才能獲得非晶態(tài)。獲得非晶態(tài)。 在一般生產(chǎn)過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時的凝在一般生產(chǎn)過程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時的凝固過程也是結晶過程。固過程也是結晶過程。5.1 液體的性質和結構 金屬熔化時性質的變化要比蒸發(fā)時小得多，例如溶化潛熱一般僅為蒸發(fā)潛熱的2.5%5%，這說明液態(tài)金屬的性質更接近固態(tài)時的性質。 液體的基本特征是其流動性和較低的壓縮性

7、，這說明液體個原子的排列比較致密，但不像固體那樣有規(guī)則。 根據(jù)熱力學，一定溫度下不同大小原子團的相對數(shù)目可表示為 =exp（-G/kT） （5.1） n為單位體積原子數(shù)小， 為在n個原于中含有i個原子的原子團數(shù)目, G為原子團與數(shù)目相同的單個原子的自由能差。由式(5.1)知,當G增加時， 減小。 G的來源有兩個,一個與固、液相的自由能差有關,另一個是把固相與液相分開的界面能：前者在平衡溫度時為零，低于熔點時為負值，高于熔點時為正值；后者永遠為正值。nninini G可用下式表示，即 G=V Gv/Vs+A (5.2) 式中，v為原子團的體積,A為其表面積,Gv為固、液相的摩爾自由能差，Vs為固

8、相的摩爾體積， 為單體面積界面能。已有的事實去明，接近熔點時，在1cm3體積的液體內(nèi)，式(5.1)中的原子團永遠不會大到可以包含數(shù)百個原子5.1 液體的性質和結構液體的性質和結構5.1結晶的熱力學條件結晶的熱力學條件 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程 結晶過程不是在任何情況下都能結晶過程不是在任何情況下都能自動發(fā)生。自然界的一切自發(fā)轉變過自動發(fā)生。自然界的一切自發(fā)轉變過程總是向著自由能降低的方向進行。程總是向著自由能降低的方向進行。在單一的組元情況下：在單一的組元情況下： SdTVdpdGTSHG在恒壓下，在恒壓下，dp = 0dp = 0，因此，因此 SdTdGTCdTdS

9、TdGdp22其中其中S S為熵，為正值；為熵，為正值；CpCp為等壓熱容量，也是一正值。因此吉布為等壓熱容量，也是一正值。因此吉布斯自由能斯自由能G G和溫度和溫度T T的曲線總是凸向下的下降形式。的曲線總是凸向下的下降形式。 二、二、結晶的熱力學條件結晶的熱力學條件 第一節(jié)晶體形成的一般過程第一節(jié)晶體形成的一般過程 因為液體的熵值恒大于固體的熵，因為液體的熵值恒大于固體的熵，所以液體的曲線下降的趨勢更陡，兩所以液體的曲線下降的趨勢更陡，兩曲線相交處的溫度曲線相交處的溫度T Tm m，當溫度，當溫度T= TT= Tm m時，液相和固相的自由能相等，處于時，液相和固相的自由能相等，處于平衡共存

10、，所以稱平衡共存，所以稱T Tm m為臨界點，也就為臨界點，也就是理論凝固溫度。當是理論凝固溫度。當T TT TT Tm m時，從固體向液體的轉變使時，從固體向液體的轉變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)吉布斯自由能下降，是自發(fā)過程，發(fā)生熔化過程。生熔化過程。 所以結晶過程的熱力學條件就是所以結晶過程的熱力學條件就是溫度在理論熔點以下。溫度在理論熔點以下。三、三、結晶的潛熱結晶的潛熱 第一節(jié)晶體形成的一般過程第一節(jié)晶體形成的一般過程在在T= TmT= Tm時：時：0)(LsmSSTHSTHG從液體轉變?yōu)楣腆w，此時有從液體轉變?yōu)楣腆w，此時有0)(LSSSTH是一放熱過程，放出的這部分是一放熱過程

11、，放出的這部分熱量稱為熱量稱為結晶潛熱結晶潛熱。 四、結晶時的過冷現(xiàn)象四、結晶時的過冷現(xiàn)象第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程冷卻曲線冷卻曲線：材料在冷卻過程中，由：材料在冷卻過程中，由于存在熱容量，并且從液態(tài)變?yōu)楣逃诖嬖跓崛萘?，并且從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)還要放出結晶潛熱，利用熱分析態(tài)還要放出結晶潛熱，利用熱分析裝置，處在較慢的固定的散熱方式，裝置，處在較慢的固定的散熱方式，并將溫度隨時間變化記錄下來，所并將溫度隨時間變化記錄下來，所得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻曲線如圖示。曲線如圖示。 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象：熔體材料冷卻到理論結晶溫度以下，并不是立即就形：熔體

12、材料冷卻到理論結晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在應該轉變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)，成晶體，材料處在應該轉變的理論溫度以下，還保留原來狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過冷。這種現(xiàn)象稱為過冷。過冷度過冷度：為了表述材料過冷的程度，將理論轉變溫度與實際所處：為了表述材料過冷的程度，將理論轉變溫度與實際所處在的溫度之差稱為過冷度在的溫度之差稱為過冷度 。 T = Tm T五、結晶的一般過程五、結晶的一般過程 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程溫度變化規(guī)律溫度變化規(guī)律： 材料的熔體在熔點以上不斷材料的熔體在熔點以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結散熱，溫度不斷下降，到理論結晶溫度并不是

13、馬上變成固態(tài)的晶晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過冷。過冷體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過冷。過冷到某一程度開始結晶，放出結晶到某一程度開始結晶，放出結晶潛熱，可能會使其溫度回升。到潛熱，可能會使其溫度回升。到略低于熔點的溫度時，放出的熱略低于熔點的溫度時，放出的熱量和散熱可達到平衡，這時處于量和散熱可達到平衡，這時處于固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。結晶過程完成，沒有潛熱的臺。結晶過程完成，沒有潛熱的補充，溫度將重新不斷下降，直補充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。到室溫。 五、結晶的一般過程五、結晶的一般過程 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過程晶體形成的一般過程組

14、織的變化組織的變化：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細小的：在一定的過冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細小的晶體生成，這個過程稱為晶體生成，這個過程稱為形核形核。隨后已形成的晶核不斷的。隨后已形成的晶核不斷的長大長大，同時在未轉變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的同時在未轉變的液體中伴隨新的核心的形成。生長過程到相鄰的晶體互相接觸，直到液體全部轉變完畢。晶體互相接觸，直到液體全部轉變完畢。每個成長的晶體就是一每個成長的晶體就是一個晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。個晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。 5.3 形核形核一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核 在一定的過冷度下，液體中若出在一定的過冷

15、度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉變生變化，一方面一定體積的液體轉變?yōu)楣腆w，體積自由能會下降，另一方為固體，體積自由能會下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：量為： 其中其中G GV V為單位體積內(nèi)固液吉布斯自由能之差，為單位體積內(nèi)固液吉布斯自由能之差，V V為晶體的體為晶體的體積，積，為界面能，為界面能，A A為界面的面積。一為界面的面積。一個細小的晶體出現(xiàn)后，個細小的晶體出現(xiàn)后，是否能長大，決定于在晶體的體積增加

16、時，其自由能是否為下是否能長大，決定于在晶體的體積增加時，其自由能是否為下降。降。 存在過冷的液體，依靠自身的原子運動可能形成晶核存在過冷的液體，依靠自身的原子運動可能形成晶核，這種方式稱為這種方式稱為自發(fā)形核自發(fā)形核。1. 能量變化能量變化一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核第二節(jié)第二節(jié) 形核形核在一定過冷度下，在一定過冷度下，GGV V為負值，而為負值，而恒恒為正值?？梢娋w總是希望有最大的體為正值?？梢娋w總是希望有最大的體積和最小的界面積。設積和最小的界面積。設GGV V和和為常數(shù)，為常數(shù)，最有利的形狀為球。設球的半徑為最有利的形狀為球。設球的半徑為r r，有：有： 這里這里r rc c稱為臨界尺

17、寸，當細小晶體的半徑大于臨界尺寸，晶體稱為臨界尺寸，當細小晶體的半徑大于臨界尺寸，晶體長大時吉布斯自由能下降，這種可以長大的小晶體稱為晶核。長大時吉布斯自由能下降，這種可以長大的小晶體稱為晶核。如果它的半徑小于臨界尺寸，晶體長大時吉布斯自由能將上升，如果它的半徑小于臨界尺寸，晶體長大時吉布斯自由能將上升，自發(fā)過程為不斷減小到消失。自發(fā)過程為不斷減小到消失。 vcvGrdrGdrGrG2043423得令2. 臨界大小臨界大小一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核 熔體的溫度在熔點附近時，盡管處在液態(tài)，即總體的排列熔體的溫度在熔點附近時，盡管處在液態(tài)，即總體的排列是無序的，但局部的小區(qū)域并非靜止不動的，原子的運

18、動可造是無序的，但局部的小區(qū)域并非靜止不動的，原子的運動可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動，對成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動，對應的結構應的結構( (原子排列原子排列) )在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列，在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列，其范圍大小對應的能量于平均能量之差其范圍大小對應的能量于平均能量之差GG如上所述，這就稱為如上所述，這就稱為“能量起伏能量起伏”和和“結構起伏結構起伏”。 對于過冷液體，出現(xiàn)對于過冷液體，出現(xiàn)GG大小差別的幾率正比于大小差別的幾率正比于 )exp(RTG小于臨界尺寸的小于臨界尺寸的( (也稱為晶胚也稱為晶胚)

19、)下一步減小到消失，大于臨界尺下一步減小到消失，大于臨界尺寸的可能不斷長大，也就是晶核。等于臨界尺寸大小的晶核高寸的可能不斷長大，也就是晶核。等于臨界尺寸大小的晶核高出平均能量的那部分稱為出平均能量的那部分稱為“形核功形核功”。 過冷度愈小，固過冷度愈小，固液自由能差也小，臨界尺寸大，形核功液自由能差也小，臨界尺寸大，形核功也高，出現(xiàn)的幾率也小。太小的過冷度在有限的時空范圍內(nèi)不也高，出現(xiàn)的幾率也小。太小的過冷度在有限的時空范圍內(nèi)不能形核，即形核要求有基本的過冷度。能形核，即形核要求有基本的過冷度。 3.3.晶核的來源晶核的來源 rr*時，隨晶胚長大，系統(tǒng)自由能降低，凝固過程自動進行。r=r*時

20、，可能長大，也可能熔化，兩種趨勢都是使自由能降低的過程，將r*的晶胚稱為臨界晶核，只有那些略大于臨界半徑的晶核，才能作為穩(wěn)定晶核而長大，所以金屬凝固時，晶核必須要求等于或大于臨界晶核。極值點處 084)(2rGrdrGdVVGr2* 臨界晶核半徑隨過冷度增大而減小。 稱為臨界晶核形成功，簡稱形核功，上式表明，當r=r*時，臨界晶核形成時的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是過冷液體金屬開始 形核時的主要障礙。形核功來自何方？在沒有外部供給能量的條件下，依靠液體本身存在的“能量起伏”來供給*31*AG二、形核率二、形核率形核率形核率(N)(N)：單位時間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成

21、數(shù)目稱為形：單位時間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成數(shù)目稱為形核率。核率。形核率決定于體系中出現(xiàn)結構達到臨界尺寸的幾率，也受原子活動或遷移形核率決定于體系中出現(xiàn)結構達到臨界尺寸的幾率，也受原子活動或遷移能力的影響。能力的影響。RTGRTGVAkeeKNGk是形核功，GA是擴散激活能 形核率受兩個相互矛盾的因素控制： 當 T 不大時，形核率主要受形核功因子控制， T 增大，形核率增大，在 T非常大時，形核率主要受擴散因子的控制，隨 T 增加，形核率降低。 晶胚的最大尺寸隨過冷度增大而增大，臨界晶核半徑、晶胚尺寸與過冷度的關系 金屬材料形核率與溫度的關系如圖所示形核率突然增大的溫度稱為有效形核

22、溫度，此時對應的過冷變稱臨界過冷度約等于0.2Tm。 三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 如果形核不是在液體內(nèi)部，如果形核不是在液體內(nèi)部，如附著在某些已存在的固體如附著在某些已存在的固體( (液液體中存在的未熔高熔點雜質體中存在的未熔高熔點雜質) )，例如在固體上形成球冠形，這時例如在固體上形成球冠形，這時可以利用附著區(qū)原液體和雜質的可以利用附著區(qū)原液體和雜質的界面能，特別是核心和雜質間可界面能，特別是核心和雜質間可能有小的界面能。能有小的界面能。這種依附在某這種依附在某些已有的固體上形核稱之為非些已有的固體上形核稱之為非自自發(fā)形核。發(fā)形核。 1.能量變化能量變化G=GvG=Gv* *V+(V+(L

23、SLS* *A ALSLS+SBSB* *A ASBSB-LBLB* *A ASBSB) )3coscos32(33 rV22/2/sin)cos1 (2rArABSSLcos/SLBSBL三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 第二節(jié)第二節(jié) 形核形核1. 能量變化能量變化4coscos323均非GGVkGrdrGd20)(可以得到令2. 作用效果作用效果1)過冷度過冷度 自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界半徑相同，隨著過冷自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界半徑相同，隨著過冷度的增加臨界半徑減小，形核率將明顯上升。度的增加臨界半徑減小，形核率將明顯上升。三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 2. 作用效果作用效果2)2)基底性

24、質基底性質 若若LBLB大于或等于（大于或等于（LSLSSBSB），則），則=0=0。 說明不用形核，即可直接以基體為心形核。說明不用形核，即可直接以基體為心形核。 若若（LBLBLSLS）小于或等于）小于或等于SBSB，則，則=180=180。 說明基底對形核無效果，即不能在基底上形核。說明基底對形核無效果，即不能在基底上形核。 一般情況下一般情況下01800180。 比較小的，成為活性固體，對形比較小的，成為活性固體，對形核的促進作用較大。核的促進作用較大。 SBSB愈小，愈小，愈小，促進作用愈大。愈小，促進作用愈大。3)3)基底形狀基底形狀 凹面更有利形核凹面更有利形核 晶核往往在模壁底

25、裂縫或小孔晶核往往在模壁底裂縫或小孔處先出現(xiàn)。處先出現(xiàn)。 總之，非均勻晶核有利的降低總之，非均勻晶核有利的降低臨界過冷度，大大提高形核率。臨界過冷度，大大提高形核率。5.4 晶體的長大固相液相固相固相液相液相單原子臺階臺階長大光滑界面新晶核(a)(c)(b) 純物質晶體自熔體的長大過程就是原子不斷地從液相疊放純物質晶體自熔體的長大過程就是原子不斷地從液相疊放在晶體上的過程。這一過程進行的方式和快設程度主要取在晶體上的過程。這一過程進行的方式和快設程度主要取決于固、液相界面的結構，而決定固、液相界面結構的基決于固、液相界面的結構，而決定固、液相界面結構的基本因素是熔化墑本因素是熔化墑, ,通?？?/p>

26、慮的量的比值通?？紤]的量的比值 S / k . S / k .即即H/kTH/kTM M . .5.4 晶核的長大晶核的長大 一、長大條件一、長大條件 從熱力學分析可知，要使系統(tǒng)的自由能下降，在液從熱力學分析可知，要使系統(tǒng)的自由能下降，在液固界固界面附近的部分液體轉變?yōu)楣腆w，依然要求在界面附近要存在過冷面附近的部分液體轉變?yōu)楣腆w，依然要求在界面附近要存在過冷度，前面冷卻曲線上平臺和理論結晶溫度之差就是長大所要求的度，前面冷卻曲線上平臺和理論結晶溫度之差就是長大所要求的過冷度，也稱為過冷度，也稱為“動態(tài)過冷度動態(tài)過冷度”。 金屬材料的動態(tài)過冷度很小，僅金屬材料的動態(tài)過冷度很小，僅0.010.05

27、0.010.05，而非金屬材，而非金屬材料的動態(tài)過冷度就大得多。若液料的動態(tài)過冷度就大得多。若液固界面處于平衡，則界面的溫固界面處于平衡，則界面的溫度應該為理論結晶溫度度應該為理論結晶溫度。二、長大速度二、長大速度 凝固過程中，晶體在不斷長大，界面在單位時間向前推移的凝固過程中，晶體在不斷長大，界面在單位時間向前推移的垂直距離稱為長大線速度。垂直距離稱為長大線速度。三、三、正溫度梯度下晶體的長大正溫度梯度下晶體的長大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長大晶核的長大 正溫度梯度是指液正溫度梯度是指液固界面前沿的液體溫度隨到界面的距固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離的增加而升高，這時結晶過程的潛熱只能通過已凝固

28、的固體離的增加而升高，這時結晶過程的潛熱只能通過已凝固的固體向外散失。向外散失。 平衡時界面的溫度為理論結晶溫度，平衡時界面的溫度為理論結晶溫度，液體的溫度高于理論結晶溫度。當通過液體的溫度高于理論結晶溫度。當通過已凝固的固體散失熱量時，達到動態(tài)過已凝固的固體散失熱量時，達到動態(tài)過冷的部分液體轉變?yōu)楣腆w，界面向前推冷的部分液體轉變?yōu)楣腆w，界面向前推移，到達理論結晶溫度處，生長過程將移，到達理論結晶溫度處，生長過程將停止。所以這時界面的形狀決定于散熱，停止。所以這時界面的形狀決定于散熱，實際上為理論結晶溫度的等溫面。在小實際上為理論結晶溫度的等溫面。在小的區(qū)域內(nèi)界面為平面，局部的不平衡帶的區(qū)域內(nèi)

29、界面為平面，局部的不平衡帶來的小凸起因前沿的溫度較高而放慢生來的小凸起因前沿的溫度較高而放慢生長速度，因此可理解為齊步走，稱為長速度，因此可理解為齊步走，稱為平平面推進方式生長面推進方式生長。四、四、負溫度梯度下晶體的長大負溫度梯度下晶體的長大 負溫度梯度是指液負溫度梯度是指液固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離的增加而降低，這時結晶過程的潛熱不僅可通過已凝固的固體的增加而降低，這時結晶過程的潛熱不僅可通過已凝固的固體向外散失，而且還可向低溫的液體中傳遞。向外散失，而且還可向低溫的液體中傳遞。 在小的區(qū)域內(nèi)若為平面，局在小的區(qū)域內(nèi)若為平面，局部的不平衡可帶來某些

30、小凸起，部的不平衡可帶來某些小凸起，因前沿的溫度較低而有利生長，因前沿的溫度較低而有利生長，因而凸起的生長速度將大于平均因而凸起的生長速度將大于平均速度，凸起迅速向前發(fā)展，可理速度，凸起迅速向前發(fā)展，可理解賽跑的競爭機制，在凸起上可解賽跑的競爭機制，在凸起上可能再有凸起，如此發(fā)展而表現(xiàn)為能再有凸起，如此發(fā)展而表現(xiàn)為數(shù)枝晶的方式長大。枝晶間的空數(shù)枝晶的方式長大。枝晶間的空隙最后填充，依然得到一完整的隙最后填充，依然得到一完整的晶體。晶體。第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長大晶核的長大四、四、負溫度梯度下晶體的長大負溫度梯度下晶體的長大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長大晶核的長大關于樹枝晶關于樹枝晶：按樹枝方式生長的晶

31、體稱為樹枝晶，先凝固的稱為按樹枝方式生長的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：純凈的材料結晶純凈的材料結晶完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮，樹枝之間若得完畢見不到樹枝晶，但凝固過程中一般體積收縮，樹枝之間若得不到充分的液體補充，樹枝晶可保留下來；不到充分的液體補充，樹枝晶可保留下來； 生長中晶體分支生長中晶體分支受液體流動、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角受液體流動、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角度差，互相結合時會留下位錯；度差，互相結合時會留下位錯； 或材料中含有雜質，在結晶或材料中含

32、有雜質，在結晶時固體中的雜質比液體少，最后不同層次的分枝雜質含量不相同，時固體中的雜質比液體少，最后不同層次的分枝雜質含量不相同，其組織中可見樹枝晶。其組織中可見樹枝晶。五、五、非金屬晶體的長大非金屬晶體的長大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長大晶核的長大 在正溫度梯度下，等溫面和有利的晶體表面不相同時，界在正溫度梯度下，等溫面和有利的晶體表面不相同時，界面會分解為臺階形。面會分解為臺階形。 在表面的臺階處有利晶體在表面的臺階處有利晶體的生長，這時原子從液體轉移的生長，這時原子從液體轉移到固體中增加的表面積較小，到固體中增加的表面積較小，臺階填充完后在表面生長也需臺階填充完后在表面生長也需要一定的臨界尺寸

33、，表現(xiàn)為非要一定的臨界尺寸，表現(xiàn)為非金屬生長的動態(tài)過冷度比金屬金屬生長的動態(tài)過冷度比金屬大，可達到大，可達到3535，其中特別，其中特別是螺位錯造成的表面臺階對生是螺位錯造成的表面臺階對生長有利，并且是永遠填不滿的長有利，并且是永遠填不滿的臺階。臺階。六、六、界面結構對晶體生長影響界面結構對晶體生長影響受界面能和表明熵的影響，液固界面的微觀結構有兩中類型：受界面能和表明熵的影響，液固界面的微觀結構有兩中類型：粗糙界面生長時向各個方向無區(qū)別。對于粗糙界面生長時向各個方向無區(qū)別。對于平滑界面能低的晶面與等溫面不重和，原平滑界面能低的晶面與等溫面不重和，原子將在臺階面處生長。（無臺階時，少量子將在臺

34、階面處生長。（無臺階時，少量的原子很難吸附在光滑平面上，需要一批的原子很難吸附在光滑平面上，需要一批原子原子，所需的動態(tài)過冷度較，所需的動態(tài)過冷度較大。最終的形狀與晶體的各向異性相關，大。最終的形狀與晶體的各向異性相關，對應獨特的外形。對應獨特的外形。平滑型平滑型( (晶面型晶面型) ) 界面上界面上原子排列平整，通常為晶原子排列平整，通常為晶體的某一特定晶面，界面體的某一特定晶面，界面上缺位或單貼原子較少。上缺位或單貼原子較少。粗糙型粗糙型( (非晶面型非晶面型) ) 界面上缺位或單貼原子較多，高高低低，界面上缺位或單貼原子較多，高高低低，粗糙不平，不顯示任何晶面特征。大多金屬材料時如此。粗

35、糙不平，不顯示任何晶面特征。大多金屬材料時如此。二、鑄件晶粒大小的控制二、鑄件晶粒大小的控制 決定晶粒尺寸的要素決定晶粒尺寸的要素： 從液體凝固后，每個晶核生長成一個晶從液體凝固后，每個晶核生長成一個晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決定于定于N/GN/G，即形核率高晶粒細小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。，即形核率高晶粒細小，而長大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理與方法：控制原理與方法：生產(chǎn)過程通常希望材料得到細小的尺寸，為此生產(chǎn)過程通常希望材料得到細小的尺寸，為此控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速

36、度，控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長大速度都提高，但形核如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒將細化，可是快冷卻速度會增加率的提高快得多，所得到的晶粒將細化，可是快冷卻速度會增加零件的內(nèi)應力有時甚至可能造成開裂，有時因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺零件的內(nèi)應力有時甚至可能造成開裂，有時因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺寸達不到快速冷卻。第二，加變質劑即人為加入幫助形核的其它寸達不到快速冷卻。第二，加變質劑即人為加入幫助形核的其它高熔點細粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加高熔點細粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加AlAl2

37、2O O3 3粉等，以非粉等，以非均勻方式形核并阻礙長大。第三，鑄件凝固中用機械或超聲波震均勻方式形核并阻礙長大。第三，鑄件凝固中用機械或超聲波震動等也可細化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，動等也可細化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，對這些因素進行相反的操作。對這些因素進行相反的操作。 5.5凝固體的結構凝固體的結構第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應用舉例凝固理論的應用舉例表層等軸細晶區(qū)表層等軸細晶區(qū) 晶粒細小，取向隨機，晶粒細小，取向隨機，尺寸等軸，因為澆鑄時錠模溫度低，大的尺寸等軸，因為澆鑄時錠模溫度低，大的過冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形過冷度加上模壁和涂料幫助形核，

38、大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細晶區(qū)。核率使與錠模接觸的表層得到等軸細晶區(qū)。柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 隨模具溫度的升高，只能隨錠隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內(nèi)生長，不同晶向的生長速度不層晶粒向內(nèi)生長，不同晶向的生長速度不一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時向一樣，那些較生長有利的部分晶粒同時向內(nèi)長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗內(nèi)長大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長形晶粒區(qū)。且方向基本相同的長形晶粒區(qū)。 中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 凝固的進行后期，四周散凝固的進行后期，四周散熱和液體的對流，中心的溫度達到均

39、勻，熱和液體的對流，中心的溫度達到均勻，降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生降到凝固店以下后，表層晶粒的沉降、生長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向長中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數(shù)量的四周均勻生長，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。 力學性能力學性能 表層硬表層硬柱狀區(qū)有方向形柱狀區(qū)有方向形中心疏松、多雜質中心疏松、多雜質四、四、鑄錠中的組織缺陷鑄錠中的組織缺陷第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應用舉例凝固理論的應用舉例縮孔：縮孔：大多材料凝固后體積收縮，留下的空腔就形成縮孔，縮孔是不可避大多材料凝固后體積收縮，留下的空

40、腔就形成縮孔，縮孔是不可避免的，減少危害措施可后加液體補縮減小縮孔，讓縮孔在不使用部位，免的，減少危害措施可后加液體補縮減小縮孔，讓縮孔在不使用部位，如鑄錠或鑄件的冒口，凝固后切去來保證使用部位無縮孔。如鑄錠或鑄件的冒口，凝固后切去來保證使用部位無縮孔。 疏松：疏松：實際為微小分散的收縮孔，樹枝間或晶粒間收縮孔被凝固的固體封閉實際為微小分散的收縮孔，樹枝間或晶粒間收縮孔被凝固的固體封閉而得不到液體補充而留下得缺陷。中部比邊緣多，尺寸大得鑄件比小尺而得不到液體補充而留下得缺陷。中部比邊緣多，尺寸大得鑄件比小尺寸鑄件嚴重。型材的軋制可減小或消除其不利的影響。寸鑄件嚴重。型材的軋制可減小或消除其不利

41、的影響。 氣孔：氣孔：液體中的氣體在凝固中未排出在凝固體內(nèi)形成的缺陷。氣體的來源析液體中的氣體在凝固中未排出在凝固體內(nèi)形成的缺陷。氣體的來源析出型出型( (氣體在液、固中的溶解度不同氣體在液、固中的溶解度不同) )和反應型和反應型( (凝固過程中發(fā)生的化學反凝固過程中發(fā)生的化學反應生成應生成) )。 夾雜物：夾雜物：與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒，外來夾雜物有澆鑄中沖與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒，外來夾雜物有澆鑄中沖入的其它固體物，如耐火材料、破碎鑄模物等。入的其它固體物，如耐火材料、破碎鑄模物等。 成分偏析：成分偏析：在多組元材料中，不同位置材料的成分不均勻叫做偏析。按其區(qū)在多組元材料中，不同位置材料的成分不均勻叫做偏析。按其區(qū)域分為宏觀偏析域分為宏觀偏析( (不同區(qū)域的成分不同不同區(qū)域的成分不同) )和微觀偏析和微觀偏析( (各區(qū)域平均成分相同，各區(qū)域平均成分相同，在微觀位置如一個晶粒的內(nèi)部或更小的范圍看成分有差別在微觀位置如一個晶粒的內(nèi)部或更小的范圍看成分有差別) )。 5.6 單晶的制備單晶的制備 第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應用舉例凝固理論的應用舉例 盡管在工程材料中