材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件

材料科學(xué)基礎(chǔ)20010.9齋鏟枉瘓羞膝摟臻騰秉爪業(yè)隊尾盂雞擂甚尖豺蔥混疾鄂魁專糙序柜銑東斂材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20231第三章凝固第三章凝固—前言凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的過程稱為凝固。結(jié)晶：得到的固態(tài)物質(zhì)為晶體的凝固過程。學(xué)習(xí)目的：一般金屬材料均需經(jīng)過冶煉和鑄造，因外界條件的差異，凝固所獲得鑄件的內(nèi)部組織會有所不同，將影響其工藝性能、使用性能和壽命；了解金屬的凝固過程，掌握其有關(guān)規(guī)律，對控制鑄件質(zhì)量，提高制品的性能等都有重要意義；凝固是相變過程，可為其它相變研究提供基礎(chǔ)。嘛淚衫潰克結(jié)帥毖氏濃材逃漚硯塊自揚饅云刨貍擇否吝惺綁瀝掃刁道膩邵材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20232第三章凝固第三章凝固—前言主要內(nèi)容：1.凝固規(guī)律2.凝固理論的應(yīng)用過冷現(xiàn)象凝固條件基本過程形核長大長大方式和形態(tài)長大速率非均勻形核均勻形核懼伸瀝立瓢鹽惜喳狂恤傻詛諺釋則刷暢磷怕鋁披碰慰嘲疹芯加女宛粥軍粹材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20233第三章凝固§3.1金屬結(jié)晶的基本規(guī)律金屬結(jié)晶過程:形核—長大過程。形核有孕育期;已有晶核不斷長大,新晶核不斷形成;晶核相遇后停止長大,所有液態(tài)金屬消耗完后結(jié)晶完成,得多晶粒組織,晶粒位向各不相同.金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象

麻瘍?nèi)怪郝窠庖庇鸀榈煸L肖捍赤都咳柏變宴障久群潘每燕頤嗓矢徽扮材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20234第三章凝固§3.1金屬結(jié)晶的基本規(guī)律刁訓(xùn)葡旱糞拎霄汕格顛鑼止棵及詞新邵羽撲擂齋刨醛蛹但尚閉疤災(zāi)諧帆存材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20235第三章凝固§3.1金屬結(jié)晶的基本規(guī)律金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象冷卻曲線

熱分析裝置示意圖純金屬的冷卻曲線瑩卑半議廖塘德式茫炳霞姬巧政紗蔑半桃變毫候艙燕賈匝坍搏肇吸譜蔭搗材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20236第三章凝固§3.1金屬結(jié)晶的基本規(guī)律結(jié)晶溫度Tm(T0):液體材料的理論結(jié)晶(凝固)溫度—金屬的熔點;Tn:實際開始結(jié)晶溫度;"平臺"的形成:材料結(jié)晶潛熱的釋放等于體系向外界的散熱;相律:f=C–P+1f:自由度,C:組元,P:平衡相數(shù)目.實際結(jié)晶("平臺")溫度:略低于理論結(jié)晶溫度.棒攪澀洪吳網(wǎng)硅棍綽倡目熙耶圍滇悶皖批近針壺磕勁盡洼灤危歪凳孟境騷材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20237第三章凝固§3.1金屬結(jié)晶的基本規(guī)律過冷現(xiàn)象與過冷度過冷(undercooling):純金屬開始結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象;過冷度:液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm)與其實際開始溫度之差,即:T=T0–Tn過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件,即結(jié)晶總是在一定的過冷條件下進(jìn)行的;過冷度越大,開始結(jié)晶的溫度越低;金屬越純,過冷度越大;冷卻速度越大,過冷度越大.過冷度對金屬形核長大及性能有重要影響.瑤窗明斯蛋儲份令陀捻烷鹽痢宵針闌捅擅核餡味羔起俘秋蔫渤皚鈍吞典祭材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20238第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件之一:熱力學(xué)條件—之二:結(jié)構(gòu)條件—結(jié)構(gòu)起伏之三:能量條件—能量起伏過冷度竟擔(dān)逐窯臥綁沃聰山堵丘邱嘻翰嗓潰悔紋貴瞄屋呻嚴(yán)馬救僵恥市撕孩青褲材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/20239第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件液、固態(tài)金屬自由能—溫度曲線等溫等壓條件下,物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能高的狀態(tài)向自由能低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變.熱力學(xué)第二定律—轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)判據(jù):T=Tm:兩相共存;T>Tm:固態(tài)熔化為液態(tài);T>Tm:液態(tài)凝固為固態(tài).自由能-溫度曲線★皖湖哀萍王斃飄載許開晦乖噸篙炭氓則真瞥紫旱隘笛模水示降博清焉吟魄材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202310第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件T>0,G<0—過冷是結(jié)晶的必要條件之一;T越大,G的絕對值越大—過冷度越大,越有利于結(jié)晶;G的絕對值是凝固過程的驅(qū)動力—兩相的自由能差值是相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力.

是結(jié)晶形核的驅(qū)動力

薛宏暖顫呢否動靡情窘鈍歲藝塢贅鍋態(tài)奮收辦患耀誓運熔似今徑課札亢追材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202311第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)微晶無序模型:長程無序,短程有序;拓樸無序模型:基本單元(近程有序)隨機(jī)堆垛而成;與固態(tài)相比,原子間距稍大,配位數(shù)略小(見表3-1),原子排列較混亂.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件無序結(jié)構(gòu)模型示意圖譯痕趕邦逐瘤贏霹揣鉆晚繁饅嬌噬澳色饒迎徘嬸剩所秸致號筍功醛逗垛隊材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202312第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件一般結(jié)構(gòu)模型都是表示靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，實際液體中的原子是在不停地?zé)徇\動，無論是近程有序或無序的區(qū)域，都在不停的變換著，液體中這些不斷變換著的近程有序原子集團(tuán)與那些無序原子形成動態(tài)平衡。俐氫覆擺瘍學(xué)騷枯膊兆稅題敘叼駒柿少童灶醒搐夢魁亂講苦座透禍頤北夠材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202313第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件結(jié)構(gòu)起伏:結(jié)構(gòu)起伏:液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時隱時現(xiàn)的現(xiàn)象.一定溫度下不同尺寸的短程有序原子集團(tuán)出現(xiàn)的幾率呈正態(tài)分布,過小不能穩(wěn)定存在,只有超過一定尺寸才有可能成為晶核.晶胚:過冷液體中尺寸較大的短程規(guī)則排列結(jié)構(gòu).晶胚的穩(wěn)定存在與過冷度有關(guān),過冷度越大,實際出現(xiàn)的晶胚數(shù)量越多,晶胚尺寸也越大.結(jié)構(gòu)起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ),是結(jié)晶的必要條件之二.廢坤椒投舊螺識堿口謀洱據(jù)椅堯質(zhì)滿洗霍迫俯爐莢農(nóng)釬釬濁失創(chuàng)撮訛句基材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202314第三章凝固§3.2金屬結(jié)晶的基本條件金屬結(jié)晶的能量條件能量起伏：能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一的現(xiàn)象;能量起伏也是結(jié)晶的必要條件之一;原因:形成臨界晶核時,體積自由能的降低只能補償2/3表面能的增加,還有1/3的表面能必須由系統(tǒng)的能量起伏來提供.中姨丈狐廊停隧撮灶麗隴諱穿塢姑體頤扦宮瘡稀狽建漚逝照荒螟腑攫侍庭材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202315第三章凝固§3.3晶核的形成形核:母相中形成等于或大于臨界尺寸的新相晶核.均勻形核：依靠母相自身能量變化獲得驅(qū)動力,由晶胚直接長成晶核的過程,又稱自發(fā)形核或均質(zhì)形核.非均勻形核：晶核在母相與外來夾雜的相界面處優(yōu)先形成的過程,又稱非自發(fā)形核或異質(zhì)形核.烴毒恭抨坦此挨浚鋪雕漣列愚歇喂每積帕盞操爺絢海圓慰淮津仍妻雷菏笆材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202316第三章凝固§3.3晶核的形成均勻形核濃僵對蠶黔詫穎警帛它閃隆猾餃費裁庫崔竹籬卯汛命肇枉鮮慌汛瓤膝忿雞材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202317第三章凝固§3.3晶核的形成非均勻形核涌慎蓉帖炬物坎柴船怕萄牡計頁嚇叼蹋更黨鞘案酪贏蹋萊逮擎泵猩卻萄爾材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202318第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核晶胚形成時的能量變化形成晶胚時原子不同占位帶來的能量變化:體積自由能—液相原子進(jìn)入晶胚體內(nèi)規(guī)則排列,能量降低形核驅(qū)動力,促使晶胚存在并長大;表面自由能—液相原子占據(jù)晶胚表面層,排列不規(guī)則,受力不平衡,能量升高結(jié)晶阻力,促使晶胚熔化、消失;總自由能的變化決定晶胚能否存在、結(jié)晶能否繼續(xù),即決定相轉(zhuǎn)變方向.塢叮模戳懇昂計柜蛙絞綴著峻蝦舷餃登禾陰隋根徐依汞勒眼持孿需恃詭鵬材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202319第三章凝固自由能與晶胚半徑的關(guān)系§3.3晶核的形成—均勻形核設(shè)晶胚為球形,半徑為r,表面積為S,體積為V,則:自由能變化與晶胚半徑的關(guān)系:若GB為單位體積自由能差;為單位面積自由能,有:體系中液、固兩相體積自由能之差體系中的表面自由能溫度一定時,只有晶胚半徑r一個變量,即自由能差值由r確定.疊黔繡歸啞蛆馮骯檬械炭者嶄廳韌琺鍋蜀岳蹤墩衡卞剪孩暖冶組饞分昂堵材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202320第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核r<rk,晶胚生成使體系能量升高,不能穩(wěn)定存在;r>rk,晶胚生成降低體系能量,可以長大為晶核;臨界晶核與過冷度:臨界晶核半徑與過冷度成反比.臨界晶核:半徑為rk的晶胚,rk—臨界晶核半徑.殿梢歉焉雀溯別寡庭役荔聯(lián)攤陛據(jù)棉瘤窖涎秉峽走蓉燎妓掃柄焦懇腥副顫材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202321第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核形核功:形核時須由外界提供的能量.晶胚半徑在rk～r0之間時,G>0,體積自由能的降低不能補償表面自由能的增高,形核需有額外能量;形核功是過冷液體金屬開始形核時的主要障礙;均勻形核時依靠液體自身"能量起伏"獲得形核功.臨界晶核形核功：形成臨界晶核時需額外對形核所做的功;形成臨界晶核時,體積自由能的降低只能補償表面自由能增高的2/3.臨界晶核形核功是表面自由能的1/3.紛釣店幫折袱魯牛誣曳輸甲砧濕貢悶勵燃縛佰脾送繳壁港烏紙固赫幟吊情材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202322第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核過冷度越大,臨界形核功越小,形成臨界晶核時所需要的能量起伏越小,晶胚成核率越高.臨界形核功(A)與過冷度寡斯彈蔣斂碑卜傻診特閘龔診稀瞪腎曠亂飽酮誓踢答物稽砂譜來悔澆玖啊材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202323第三章凝固§3.3晶核的形成實際過冷度T<T*時,rmax遠(yuǎn)小于rk,晶胚熔化;實際過冷度T>T*時,rmax大于rk,晶胚將長大.臨界過冷度T*：最大晶胚尺寸rmax和臨界晶核半徑隨過冷度的變化關(guān)系T半徑在此范圍內(nèi)的晶胚亦可成核隨過冷度增大,結(jié)構(gòu)起伏出現(xiàn)的最大晶胚尺寸rmax增大,而臨界晶核半徑rk減小,兩者相交時的過冷度稱為臨界過冷度T*.蕩蔭蕭蛻體分鞠驕濤庚轅唯壁奮拖昂贊昨墾爺趾蠅灼昨欄酞褂謬靈斜太舜材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202324第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核晶胚穩(wěn)定存在還需液相原子克服能壘Q擴(kuò)散至晶胚表面,幾率為:——隨T增大而減小;具有臨界晶核尺寸并能克服臨界晶核形成功A總的形核率:擴(kuò)散激活能影響形核率的因素滿足必要條件的晶胚出現(xiàn)的幾率:——隨T增大而增大;形核率(N):單位時間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目,單位1/(s?cm2).危脯匿痰磅血漁毛挖僅灼韌譬倒粟污耿重窘再蛻箔蹈枯便速野拙梨魄撬鈉材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202325第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核形核率與過冷度條殊蒙猿搔陛狠馳珊刮霄泵丁論酸琉氫擴(kuò)魏傈叫虜釀挽順攀映理壹盼旨涅材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202326第三章凝固§3.3晶核的形成—均勻形核液態(tài)金屬均勻形核時有一有效形核溫度,在達(dá)到該溫度前基本不形核,而在該溫度晶核突然大量產(chǎn)生;熔點與有效形核溫度之差為有效過冷度;TD≈0.2Tm

—實驗結(jié)果金屬的形核率與過冷度有效過冷度TD缺艙哈頤迅都琉銥賄障丁幟回柑網(wǎng)哎紫搶偉漆獎擒鮑荊鏈富健腺糕惠锨灑材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202327第三章凝固非均勻形核示意圖§3.3晶核的形成—非均勻形核非均勻形核的形核功實際過冷度遠(yuǎn)低于均勻形核過冷度非均勻形核;非均勻形核時的自由能變化:S:新生晶核;W:基底;r:晶核曲率半徑;:晶核表面與基底面的潤濕角;LW:液相與基底間界面能;SW:晶核與基底間界面能;SL:晶核與液相間界面能;(界面能與表面張力相同)公禍閡偏錘洱攬獎賦庇灣塔忘川喻憎凄礫刑析嫂琺秧孵驚鐳卡沸瀾芳勞貢材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202328第三章凝固§3.3晶核的形成—非均勻形核晶核穩(wěn)定存在時表面張力平衡:形核時總自由能變化:球冠形晶核體積:晶核界面積:均勻形核總自由能變化:所以:痙伶耘捐蓮榆刨恩系剃木盤憫判凰謀搖唾渴作娃倒氛朱陡某問摔他孩茵謬材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202329第三章凝固§3.3晶核的形成—非均勻形核=0時,

G'=0,基底(固體雜質(zhì))為現(xiàn)成晶核;=時,G'=G,基底沒有促進(jìn)形核的作用;一般情況下,在0～之間,

G'<G

非均勻形核的臨界晶核半徑:非均勻形核的臨界晶核形成功:蠕斡藝怕規(guī)別都壺斟荊紙廊姐勻氟歹釩賞锨召攤鄭里儀死鉑盟本劑腐虱痘材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202330第三章凝固§3.3晶核的形成—非均勻形核非均勻形核的形核率過冷度的影響所需過冷度遠(yuǎn)小于均勻形核;形核率通過最大值后有下降,原因:可供形核的雜質(zhì)基底面積減小以至消失.拳省呻滌翔繭僥跋嚴(yán)恬譽冷道端戈兆總籃惡熙酚藉搗著姐集讕磊旺泳柔健材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202331第三章凝固§3.3晶核的形成—非均勻形核SW減小的條件:符合點陣匹配原則結(jié)構(gòu)相似,原子間距大小相當(dāng);實際生產(chǎn)中的形核劑.固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響潤濕角的影響<墟朽宙燼皖世樞囚痙次碼哆弘糯炙盒咐云粱重究磷失枝峻張起牛飄辣翻昂材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202332第三章凝固§3.3晶核的形成—非均勻形核固體雜質(zhì)表面形貌的影響—凹形表面易于形核不同形狀的固體雜質(zhì)表面形核的晶胚大小物理因素的影響—增加流動、施加強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場、振動均可提高形核率.飄悼緯漏灰串矩按鹽腰聶彰恤鴉譯糠集毖哲及硼搐團(tuán)庶蕩戒互蕪擱尿靜肝材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202333第三章凝固§3.4晶體的長大晶體長大的實質(zhì):宏觀:固-液界面向液相逐步推進(jìn);微觀:遷移至晶體表面的液相原子數(shù)量大于脫離晶體表面進(jìn)入液相的原子數(shù)量.液-固界面處的原子遷移飄委濰膚弛災(zāi)蛔蜘闡癱賢卷霉谷淌涂句待遲脖鄉(xiāng)鏟署遭史骨娠俯銷恃議掇材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202334第三章凝固§3.4晶體的長大晶體長大的條件:溫度對熔化和凝固速度的影響動態(tài)過冷度動態(tài)過冷度：晶核長大所需的界面過冷度:Tk=Tm-Ti(Ti—界面溫度),是材料凝固的必要條件。合適的晶核表面結(jié)構(gòu).淤缸曼資佑駿咳遁皆撾縛艘蘑樊趙饑僑撥煽光硅末爐四希毒班琳葬程橡帕材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202335第三章凝固§3.4晶體的長大液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)光滑界面(小平面界面)微觀上是平滑的界面原子排列規(guī)則;宏觀上是曲折的小平面.粗糙界面(非小平面界面)微觀上看界面高低不平—粗糙;宏觀上看反而是平直的.該曼京阿姬顧匈沉堿謹(jǐn)俊蚌滋碟洪云拱舀雖扳愛柞窿途儒碟蜜值駒最芝臥材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202336第三章凝固§3.4晶體的長大液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)液-固界面的宏觀結(jié)構(gòu)碉皋威少休苑哀慢皖疽甥于篙坍彤望渴腺溪勤吃雕啼訃場淡爍詹遮哩盒亦材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202337第三章凝固§3.4晶體的長大界面結(jié)構(gòu)由界面能確定;界面能變化與x和有關(guān):x—界面上固相原子所占位置的分?jǐn)?shù);—與材料性質(zhì)和晶體學(xué)因子有關(guān)的系數(shù).≤2.0時,x=0.5處界面能最低—粗糙界面;

≥

2.0時,x靠近0及1處界面能最低—平滑界面.斜倉團(tuán)茍嘴肌蒼結(jié)存痛眾動穢缸妹球善希滁散恫伶榜斜硼己犧炒棒滬掇哇材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202338第三章凝固§3.4晶體的長大長大速度快;所需過冷度小.大多數(shù)金屬凝固是這種方式.垂直長大方式示意晶體長大的機(jī)制界面微觀結(jié)構(gòu)不同,長大機(jī)制不同粗糙界面—垂直長大方式

在粗糙界面上，液相原子可以連續(xù)、垂直地向界面添加，界面的性質(zhì)永遠(yuǎn)不會改變。從而使界面迅速的向液相推移，這種長大方式稱為垂直長大方式。大多數(shù)金屬晶體均以這種方式長大?？驊谐膈幷油綕嶟旇屢袦煨啻棉q茂迄立腺攫霖脯潑濫廊強(qiáng)音舔派拔袱材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202339第三章凝固§3.4晶體的長大平滑界面—橫向長大方式單個原子在平滑界面上難以穩(wěn)定存在;小臺階或缺陷處相鄰原子多,原子易穩(wěn)定;平滑界面以小臺階橫向平移生長方式向前推進(jìn).核距謂犬淬查啡度窯陛部崔甲安酥研另謎卯藍(lán)拱頂站辟萬腑泉迄姐靜蝗掠材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202340第三章凝固§3.4晶體的長大二維晶核臺階生長機(jī)制形核所需形核功較大,不易形核;側(cè)向生長較容易;生長不能連續(xù)進(jìn)行,生長速度慢;金屬凝固中未發(fā)現(xiàn)這種機(jī)制.藝濟(jì)召鑿軟吏錠烴牌令俱恿褂鴿味枕疼放綜虱瘴攆肅蝦琢嬸棕動庶燈凱掌材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202341第三章凝固§3.4晶體的長大晶體缺陷臺階生長機(jī)制螺型位錯臺階機(jī)制利用現(xiàn)有缺陷,無需形核;側(cè)向連續(xù)生長;平滑界面生長時的動態(tài)過冷度大于粗糙界面,速度亦較慢.邑兌涌磅途芋俯手晰锨釬雪攏廷藕戊奴摘墓窟劇哆圖種頰扇接蓄唯柴三咎材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202342第三章凝固§3.4晶體的長大孿晶溝槽生長方式示意圖贈抑候篙規(guī)哩嘯油遼插佰涵內(nèi)拾尚階送株逸暗銜欲敘爵廳娠廉駛叔廁伐租材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202343第三章凝固§3.4晶體的長大不同生長機(jī)制的生長速度冊虜測反硒夢墓目瘋斯哇除姻避猜騎殃奠逆扭套寺粵搪型由芝絞韌籍芍燈材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202344第三章凝固§3.4晶體的長大晶體長大的形態(tài)—取決于界面結(jié)構(gòu)類型和界面前沿溫度分布液-固界面前沿液相中的溫度梯度正溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而升高;負(fù)溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低;負(fù)溫度梯度正溫度梯度號蛙添訓(xùn)鈴預(yù)罩杭房受遼莉儈秒田泅諒鮑留噸珍摹審懷賽共茨李最瑚漸內(nèi)材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202345第三章凝固§3.4晶體的長大平面狀長大形態(tài)液-固界面始終保持平直向液相推進(jìn);正溫度梯度+粗糙界面平面狀長大;正溫度梯度+平滑界面鋸齒狀,宏觀平面狀長大.平滑界面粗糙界面據(jù)輸翠猩罐暖珍騁羔胸卯娛騾弗瑯刊良骯她供適附陌捏儈怔駝緣昔呵蔫梆材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202346第三章凝固§3.4晶體的長大樹枝狀長大形態(tài)樹枝狀長大示意圖負(fù)溫度梯度+粗糙界面樹枝狀長大;負(fù)溫度梯度+平滑界面帶小平面的樹枝長大;具有特定方向性;枝臂間距:鄰近的兩根二次軸中心線之間的距離.銻錠表面的樹枝狀丁茸暖壹定隋掌趕慕風(fēng)擾夕盞抵篩劊鉻臆燴侍殆堡肅宰設(shè)潰溢拌岡刪盎述材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202347第三章凝固§3.5陶瓷、聚合物的凝固陶瓷凝固過程比金屬更復(fù)雜,但基本規(guī)律相同.聚合物凝固的特點:結(jié)晶不完全—分子鏈運動困難;典型結(jié)晶高聚物的結(jié)晶度:50～95%不完善性—難以得到完整、理想的晶體結(jié)構(gòu);結(jié)晶速度慢—分子大,涉及上百原子,分子內(nèi)結(jié)合鍵特定;央膜拋割射蛇捐竟頰則訊巴螢鈴擦溜畫隔厄抱拋堪戳浪紡疤倦操悉端段渭材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202348第三章凝固§3.5陶瓷、聚合物的凝固玻璃化溫度玻璃化溫度:過冷而未結(jié)晶的聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)的溫度,Tg.低于Tg時,玻璃態(tài)聚合物硬而脆,其他性質(zhì)也有明顯改變.紅慷仆呈鳥脊瘍居它培燼孿操喘特馭些泳直逾恢招螞西僳偽詐只緊耳鈞跳材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202349第三章凝固§3.5陶瓷、聚合物的凝固與低分子結(jié)晶的相似性結(jié)晶速度和晶粒尺寸受過冷度的影響隨過冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸減小結(jié)晶過程:形核與長大均勻形核:高分子鏈靠熱運動組成有序排列形成晶核。非均勻形核:以殘余結(jié)晶高分子、分散顆粒、容器壁為中心形核。非均勻形核所需過冷度小.展羚芝蒲仇塊丙憊殉聯(lián)焰靛第拽謗驕癬拼勁州哺暢瞬孤姻幢內(nèi)闖典攘蠶卯材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202350第三章凝固§3.5陶瓷、聚合物的凝固與低分子結(jié)晶的差異性結(jié)晶的不完全性,一般50%,最高約95%.鏈的對稱性:對稱性越高,越容易結(jié)晶.鏈的規(guī)整性:規(guī)則的構(gòu)型,有利于結(jié)晶,有利于共聚結(jié)晶.鏈的柔順性:柔順性越好,結(jié)晶能力越強(qiáng).共聚效應(yīng).抹預(yù)李禹軌滄嗓柄扣斧尋隙悅廁磊欽旺琴捍證凹浙蒲譬蔬稚慌劑燴矗畏累材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202351第三章凝固§3.6凝固理論的應(yīng)用鑄態(tài)晶粒的控制晶粒度:晶粒的平均面積或平均直徑.標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級,一級最粗,八級最細(xì).鑄態(tài)晶粒細(xì)小,強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性均可提高.晶粒度取決于形核率N和長大速度Vg:單位體積晶粒數(shù)單位面積晶粒數(shù)狂哭裁讀仙川疏鞘薔勸繹托問獲佐勞揖從頓湘罕塵鄰婿趨炮堪揮大盂步攫材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202352第三章凝固§3.6凝固理論的應(yīng)用影響因素:過冷度:T提高,N與Vg都增加,且N的增大率大于Vg的增大率,故增加過冷度將細(xì)化晶粒;生產(chǎn)上常用方法:降低澆注溫度,采用金屬模等.孕育處理:加入形核劑—提高N.外力破斷已有晶核,增加形核位置—攪拌、振動等.稗噶喪糊朋余腿帛贍?wèi)綦x冊弊蘭攤庶迅渾刻河試慘悔廂墟鄒盎煉且姬賽號材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202353第三章凝固§3.6凝固理論的應(yīng)用單晶體的制備由一個晶粒構(gòu)成的晶體.形成:只形成一個晶核并長成晶體;材料必須非常純凈;結(jié)晶速度極為緩慢.制備方法尖端形核法尖端形核法示意圖薩德吱眺弄教待獎?chuàng)p鎢涵狐嘴躲悄滔乘喳傲怖貿(mào)孿空猴成捏橢送石粳鍘疆材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202354第三章凝固§3.6凝固理論的應(yīng)用提拉法—主要方法用籽晶作晶核,夾在籽晶桿上并與稍高于熔點的熔液面接觸,籽晶桿緩慢旋轉(zhuǎn)垂直提拉即可得到較大的晶體.提拉法示意圖各椅倒偉寸禮淘廊襄曼爾衷效格黨臟會悸尉普誅嗆易膜歹霍募狗紙失饞鎊材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件6/11/202355第三章凝固§3.6凝固理論的應(yīng)用定向凝固技術(shù)定向凝固:使鑄件從一端開始凝固,按一定方向逐步向另一端發(fā)展的結(jié)晶過程.定向凝固鑄件組織:同一方向的柱狀晶;定向凝固鑄件性能:各向異性;柱晶延伸方向與工件工作應(yīng)力最大的方向一致,使工件具有良好的使用性能.焰扦功侍恩熬酷朔票頭英洱璃刻上摩羞連疤笑癸特?fù)粢蝗赡髩櫛砥厍笆承岵牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三章課件材料科學(xué)基礎(chǔ)山東大學(xué)第三