30第4章 晶体形核与生长

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金属结晶的两个基本过程:1.晶核的形成;2.晶核的长大。液态金属在结晶时,其形核方式一般认为主要有两种:即均质形核(对称均匀形核)和异质形核(又称非均匀形核)。晶核形成以后就会立刻长大,晶核长大的实质就是液态金属原子向晶核表面堆砌的过程,也是固液界面向液体中迁移的过程www.egvchb.cn防采集请勿采集本网。

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你说的是晶向指数,晶向指数的确定步骤百如下: (1)以晶胞的三个度棱边为坐标轴X\\Y\\Z,以棱边为长度作为坐标轴的长度单位;(2)从坐标轴原点引一有知向直线平等于待定晶向;(3)在所引道有向直线 上任取

国家级精品课程 《材料成形基本原理》(3Ed-2016) 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 国家级精品资源共享课 课件编制: 上篇 祖方遒 李萌盛 下篇 陈文琳 合肥工业大学 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》(第3版) 国家级精品课程 凝固----? 凝固是物质由液相转变为固相的过程。

比较均匀形核与非均匀形核的异同点。相同点1)形核的驱动力和阻力相同;2)临界晶核半径相等;3)形成临界晶核需要形核功;4)结构起伏和能量起伏是形核的基础;5)形核需要一个临界过冷度;6)形核率

凝固是液态成形技术的核心问题,也牵涉到许多基础学科和应 用学科的科学问题及技术关键。

晶体的大小主要与结晶过程中的形核数目和晶核的长大速率有关。形核数目越少,晶核的长大速率越快,就会得到比较大的晶体。下面以从硫酸铜溶液中制得硫酸铜晶体为例: 1.在玻璃杯中放入比室温高10

严格地说,凝固包括: (1)由液体向晶态固体转变(结晶) (2)由液体向非晶态固体转变(玻璃转变) 常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者,本章主要讨 论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》(第3版) 国家级精品课程 第一节 凝固热力学 第二节 均质形核 第三节 非均质形核 第四节 晶体长大 晶体形核及生长示例 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》(第3版) 国家级精品课程 第一节 凝固热力学 一、 液-固相变驱动力 二. 曲率、压力对物质熔点的影响 三、 溶质平衡分配系数(K0) 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十一二五、”国液家级-规固划教相材变驱动力 《材料成形基本原理》(第3版) 国家级精品课程 从热力学推导系统由液体向固体转变的相变驱动力ΔG 由于液相自由能G 随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率 当 T < Tm 时, 有:ΔGV = Gs - GL< 0 即:固-液体积自由能之差为相变驱动力 G ΔG 进一步推导可得: GS ?GV ? ? ?Hm ? ?T Tm GL T Tm 温度 Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值,所以过冷度ΔT是影响相变驱动 力的决定因素。

冷液体形晶体结晶形核式机制晶体界面形态哪些 1.液态金属结晶驱力:两相自由能差值ΔGV结晶驱力于给定金属L与T0均定值△GV仅与△T关液态金属结晶驱力由冷度提供冷度越结晶驱力越冷度零驱力复存所

过冷度ΔT 越大,凝固相变驱动力ΔGV 越大。

合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《由材麦料克成斯形韦基尔本热原力理学》关(系第式3版:) dG ? ?SdT ?国V家d级P精品课程 根据数学上的全微分关系得: dG ? ?? ? ?G ?T ?? ? P dT ? ?? ? ?G ?P ? ? ?T dP 比较两式可知: ?? ? ?G ?T ?? ? P ? ?S, ?? ? ?G ?P ?? ?T ?V 等压时,dP=0, dG ? ?SdT ? ?? ? ?G ?T ? ? ?P dT 由于熵恒为正值 → 物质自由能G随温度上升而下降 又因为SL>SS,所以: ?? ? ?G ?T ?? ? P L > ?? ? ?G ?T ?? ? P S 即:液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率。

合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》(第3版) 国家级精品课程 G = H- ST,所以:ΔGV =GS-GL =(HS- SST )-(HL- SLT ) =(HS- HL )-T(SS- SL ) 即 ΔGV = ΔH - TΔS 当系统 的温度 T 与平衡凝固点 Tm 相差不大时, ΔH ≈-ΔHm(此处,ΔH 指凝固潜热,ΔHm 为熔化潜热) 相应地,ΔS ≈ -ΔSm = -ΔHm / Tm,代入上式得: ?GV ? ??H m ?T ? ?H m Tm ? ??H m (1 ? T Tm ) ?GV ? ? ?H m (Tm ? T ) ? ? ?H m ? ?T Tm Tm 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材二料.成形基曲本率原理、》压(第力3版对)物质熔点的国影家响级精品课程 由于表面张力σ的存在,固相曲率k引起固 相内部压力增高,这产生附加自由能: G ΔG 由固相曲率引起 的自由能升高。

? ? ?G1 ?VS?p ?VS ?? ?1 1 r1 r2 ? 2VS ?? ?k 欲保持固相稳定,必须有一相应过冷度 ΔTr使自由能降低与之平衡(抵消)。

?G2 ? ? ?H m?Tr Tm ΔTr T Tm GS GL 温度 即?G1 ? ?G2 ? 2Vs?k ? ?H m?Tr Tm ?0 ?Tr ? 2k Vs?Tm ?H m 合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普通高等教育“十二五”国家级规划教材 《材对料球成形形颗基粒本原k ?理2》? (2 ?第13版?)p ? 2? rr r 国家级精品课程 ? ?Tr ? 2k Vs?Tm ?H m ? 2Vs ?Tm ?? ?H mr ? VsTm?p ?H m 上式表明: ? 固相表面曲率k>0,引起熔点降低。

曲率越大(晶粒半径r越小),物质熔点温度越低。

?当系统的外界压力升高时,物质熔点必然随着升高。

当系 统的压力高于一个大气压时,则物质熔点将会比其在正常大 气压下的熔点要高。

通常,压力改变时,熔点温度的改变很 小,约为10-2 oC/大气压。

合肥工业大学材料科学与工程学院制作 普《通材高料等成教形育三“基、十本二原溶五理”质》国家(平级第规衡3划版分教)材配系数(K国0)家级精品课程 K0 定义为定温T*下固相合金成分浓度C*s与液相 合金成分浓度C*L 达到平衡时的比值。

K0 ? C ? S C ? L K0 的物理意义: 对于K0<1, K0越小,固相线、液相线张开程 度越大,固相成分开始结晶时与终了结晶时差别 越大,最终凝固组织的成分偏析越严重。

因此, 常将∣1- K0∣称为“偏析系数”

在过冷液体中形成晶体结晶的形核方式,长大机制和晶体界面生长的形态有哪些1.液态金属结晶的驱动力:两相自由能的差值ΔGV为结晶的驱动力。对于给定金属,L与T0均为定值,△GV仅与△T有关。因此,液态金属结晶的驱动力是由过冷度提供的。过冷度越大,结晶的驱动力也就越大,过冷度为零时,驱动力就不复存在。所以液态金属在没有过冷度的情况下不会结晶。2.液态金属结晶过程:首先,系统通过起伏作用在某些微观小区域内克服能量障碍而形成稳定的新相晶核;新相一旦形成,系统内将出现自由能较高的新旧两相之间的过渡区。为使系统自由能尽可能地降低,过渡区必须减薄到最小原子尺度,这样就形成了新旧两相的界面;然后,依靠界面逐渐向液相内推移而使晶核长大。直到所有的液态金属都全部转变成金属晶体,整个结晶过程也就在出现最少量的中间过渡结构中完成。由此可见,为了克服能量障碍以避免系统自由能过度增大,液态金属的结晶过程是通过形核和生长的方式进行的。在存在相变驱动力的前提下,液态金属的结晶过程需要通过起伏(热激活)作用来克服两种性质不同的能量障碍(简称能障),两者皆与界面状态密切相关。一种是热力学能障,它由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生,能直接影响到系统自由能的大小,界面自由能即属于这种情况;另一种是动力学能障,它由金属原子穿越界面过程所引起,原则上与驱动力的大小无关而仅取决于界面的结构与性质,激活自由能即属于这种情况。前者对形核过程影响颇大,后者在晶体生长过程中则具有更重要的作用。而整个液态金属的结晶过程就是金属原子在相变驱动力的驱使下,不断借助于起伏作用来克服能量障碍,并通过形核和生长方式而实现转变的过程内容来自www.egvchb.cn请勿采集。

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