材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)教案第二章

1、第二章 純金屬的結(jié)晶 Metal Crystallization材料由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固，是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程。如果凝固后得到晶體，這種凝固過程就稱為結(jié)晶。由于材料通常在固態(tài)下使用，所以凝固常常作為材料制備的基本手段。金屬結(jié)晶時(shí)形成的組織鑄態(tài)組織對性能有較大影響。實(shí)際金屬一般是多晶體與結(jié)晶過程密切相關(guān)。第一節(jié) 金屬的結(jié)晶過程一、一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 1. 1. 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 過冷度過冷度: :(1)(1)金屬種類金屬種類 (2)(2)金屬純度金屬純度 (3)(3)冷卻速度冷卻速度 對一定的金屬來說對一定的金屬來說, ,過冷度有一最小值過冷度有一最小值. .

2、2. 2. 結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱 金屬結(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣探饘俳Y(jié)晶時(shí)從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣?相放出的熱量稱為結(jié)晶潛熱。相放出的熱量稱為結(jié)晶潛熱。 時(shí)間溫度TTmTn純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線示意圖過冷度過冷度二、金屬結(jié)晶的微觀過程二、金屬結(jié)晶的微觀過程 兩個(gè)過程：形核與長大兩個(gè)過程：形核與長大液體金屬結(jié)晶過程示意圖金屬結(jié)晶過程示意圖晶核多晶體多晶體孕育期孕育期第二節(jié) 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 液相和固相自由能隨溫度變化示意圖液相和固相自由能隨溫度變化示意圖 T Tm 溫度T 自 由 能 GG=GS-GL0GSGL為什么液態(tài)金屬必須在一定的過冷度條件下才能結(jié)晶為什么液態(tài)金屬必須在一定的過冷度條件下才能結(jié)晶? ?兩相

3、自由能之差與過冷度的關(guān)系兩相自由能之差與過冷度的關(guān)系? ?vG要使結(jié)晶過程獲得驅(qū)動力要使結(jié)晶過程獲得驅(qū)動力 必須過冷必須過冷滿足結(jié)晶的熱力學(xué)條件滿足結(jié)晶的熱力學(xué)條件過冷度越大過冷度越大,相變驅(qū)動力越大相變驅(qū)動力越大液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) (1)長程無序，短程有序 (2)結(jié)構(gòu)起伏(相起伏): 時(shí)聚時(shí)散,此起彼伏,大小不等 的規(guī)律排列的原子集團(tuán)相起伏是形核的結(jié)構(gòu)條件。每一溫度下出現(xiàn)的尺寸最大的相起伏與溫度有關(guān)： T , rmax 第三節(jié) 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 rmaxT過冷液體中尺寸較大的相起伏,才有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш司?均勻形核 - 理想情況 形核方式 非均勻形核 實(shí)際金屬結(jié)晶方式 一、均勻形核 為什么等于

4、或大于臨界尺寸的晶胚才能成為晶核為什么等于或大于臨界尺寸的晶胚才能成為晶核? ?1. 從形核時(shí)能量的變化分析 結(jié)晶過程系統(tǒng)自由能的總變化 G= -GVV+S 界面自由能體積自由能G晶胚晶核rKr0rGK 晶核半徑與G的關(guān)系23344 rrGGV第四節(jié) 晶核的形成krr krr krr 當(dāng)rrK時(shí)，晶胚的長大使G增大，由于自發(fā)過程向吉布斯自由能減小的方向進(jìn)行，故此時(shí)晶胚不能長大，而被重熔。 當(dāng)rrK時(shí)，晶胚的長大使G減小，所以能自發(fā)進(jìn)行，晶胚能長大成為晶核。 rK稱為臨界形核半徑界面自由能體積自由能G晶胚晶核rKr0rGK 晶核半徑與G的關(guān)系 能量要求能量要求VGkdrGdVdrGdrrrG22

5、, 084得，令23344 rrGGV界面自由能體積自由能G晶胚晶核rKr0rGK 晶核半徑與G的關(guān)系TLTmm2TLTkmmr2 過冷液體中存在的最大相起伏尺寸過冷液體中存在的最大相起伏尺寸rmax隨隨 而而 rT rmax rk rkTkTT rkTk ：臨界過冷度：臨界過冷度 晶胚尺寸必須達(dá)到臨界晶核半徑，要求晶胚尺寸必須達(dá)到臨界晶核半徑，要求液體過冷度必須達(dá)到或超過臨界過冷度液體過冷度必須達(dá)到或超過臨界過冷度2. 形核功形核功GK rk r0 尺寸的晶核，其尺寸的晶核，其 G G 0 0，能成為穩(wěn)定晶核嗎？，能成為穩(wěn)定晶核嗎？ GK與與關(guān)系關(guān)系界面自由能體積自由能G晶胚晶核rKr0rG

6、K 晶核半徑與G的關(guān)系23344kkVkrrGG2314krks31臨界晶核表面積臨界晶核表面積 形成臨界晶核時(shí)自由能變化為正，且恰等于臨界晶核表面能的形成臨界晶核時(shí)自由能變化為正，且恰等于臨界晶核表面能的1/3，體積自由能的下降只補(bǔ)償了表面能的體積自由能的下降只補(bǔ)償了表面能的2/3。 需要做功需要做功能量起伏能量起伏kG臨界晶核表面積臨界晶核表面積kG1/2：液體微區(qū)內(nèi)暫時(shí)偏離平衡能量的現(xiàn)象：液體微區(qū)內(nèi)暫時(shí)偏離平衡能量的現(xiàn)象3. 形核率 單位時(shí)間單位體積液體中形成的晶核數(shù)目. N=N1*N2 受形核功影響 受原子擴(kuò)散控制二、非均勻形核二、非均勻形核 晶核依附于現(xiàn)成的固體表面上形成晶核依附于現(xiàn)

7、成的固體表面上形成1. 臨界晶核半徑和臨界形核功臨界晶核半徑和臨界形核功 假設(shè)一晶核假設(shè)一晶核以球冠形狀形成于以球冠形狀形成于基底基底表面上，如圖所示：表面上，如圖所示：L 、L、 分別為分別為L ，L， 之間的單位界面能；之間的單位界面能；為潤濕角；為潤濕角；A1為半徑為為半徑為rsin的圓面積，的圓面積，A2為球冠的表面積，為球冠的表面積，V為球冠的體積；為球冠的體積；由表面張力平衡關(guān)系知：由表面張力平衡關(guān)系知：LScos+sc=LCA1=（rsin）2 LLLL液體液體L L晶核晶核基底基底S S1 1S S2 2r r非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖形核前的界面能為：LCA1形核后的界

8、面能為：LSA2+SCA1故：GS=（LSA2+SCA1）-LCA1 =2r2LS(1-cos)+r2(SC-LC) 把LC=LScos+sc代入上式，得：GS=r2LS(2-3cos+(cos)3)GS為形核的界面能變化值; )()cos()sin()cos1 (2)sin2(3)(coscos323022023rrdrVrrdrA 體積相變吉布斯自由能: 由非均勻形核的總的吉布斯自由能變化為體積相變吉布斯自由能與表面吉布斯自由能變化之和。 )3)(coscos32(33rGGVvv)4)(coscos32()4)(coscos32)(4(332334GrrGGLSV當(dāng)=0時(shí)，G=0 完全潤

9、濕，不需要形核功， 基底本身是現(xiàn)成晶核,可以直接長大當(dāng)=時(shí)，G=G，此時(shí)為均勻形核當(dāng)0時(shí)，GG，且愈小，形核愈容易VGrLkdrGd2, 0得令)4)(coscos32(3 GGTmLmTL2Lks31G)4)(coscos32(3kr2. 形核率 單位時(shí)間單位體積液體中形成的晶核數(shù)目.影響因素： （1）過冷度（2）固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)： 點(diǎn)陣匹配原理.-結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng) 形核劑（3）固體雜質(zhì)形貌： 凹曲面的形核效能最高（4）過熱度（5）其它：物理因素. 振動或攪動第五節(jié) 晶核長大三、晶粒大小的控制 晶體中晶粒的大小，對金屬性能有很大的影響。晶體越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度、韌性等機(jī)械性能越好。 1.基本

10、概念：晶粒大小與晶粒度(N)：晶粒的大小稱為晶粒的大小稱為晶粒度，晶粒度，通常用晶粒的平均面積或平均直徑表示。通常用晶粒的平均面積或平均直徑表示。2. 細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒提高材料強(qiáng)細(xì)晶強(qiáng)化：通過細(xì)化晶粒提高材料強(qiáng)度的方法。度的方法。Hall-Patch 公式：公式：210Kd3. 晶粒大小的控制 單位體積晶粒數(shù)決定于形核率N和長大速度G兩個(gè)因素。因此控制形核率和形核速度也就控制了晶粒的大小。 晶粒大小的控制方法： （1）增加過冷度； （2）變質(zhì)處理； （3）振動、攪拌 (1)冷卻速度或過冷度的影響：T越大，鑄件晶粒越細(xì)； 薄壁鑄件與厚壁鑄件對晶粒大小的影響？(2)難溶雜質(zhì)的影響與變質(zhì)處理：難溶雜質(zhì)促進(jìn)非均勻形核；變質(zhì)（細(xì)化）處理與變質(zhì)（細(xì)化）劑； 變質(zhì)（細(xì)化）劑:點(diǎn)陣匹配原則、Tm高 Mg