材料加工原理课件 第3讲

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1、2.2液态金属凝固结晶的热力学与动力学金属凝固结晶的热力学条件•均质形核•异质形核•晶体生长•第二章液态金属及其加工凝固的热力学条件凝固的热力学条件液－固两相自由能与温度的关系∆GV=∆HV−Tm∆SV=0凝固的热力学条件凝固的热力学和动力学能障•–界面能–激活能金属结晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织均匀形核非均匀形核是指完全依靠液态金属中的晶胚形核的过程，液相中各区域出现新相晶核的几率都是相同的。生核过程是指晶胚依附于液态金属中的固态杂质表面形核的过程。均匀形核非均匀形核生核过程均质形核Or*过冷是结晶的必要条件之一液体中存在“结构起伏”的原子集团，

2、其统计平均尺寸r°随温度降低（ΔT增大）而增大，r°与r*相交，交点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*（约为0.18~0.20Tm）。结构起伏与能量起伏回忆：实际液态金属结构？结构起伏是结晶的必要条件之二临界晶核的表面积为：而：所以：ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的“能量起伏”提供。能量起伏是结晶的必要条件之三气相中单个小尺寸金属的熔点熔体中小结晶颗粒的熔点T3令：熔体中小结晶颗粒的熔点下降∆T3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：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）。

3、由固相曲率引起的自由能升高。ΔTr表明：曲率对物质熔点的影响：固相表面曲率引起熔点降低。曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点温度越低。均质形核率金属原子在结晶过程中的自由能变化单位体积液相中的原子数固液界面紧邻固体核心的液体原子数形核功液体原子振动频率被固相接受的几率液体原子扩散激活能均质形核率形核率是指单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。用N＝N1*N2表示。形核功影响原子扩散能力急冷非晶态材料异质形核因此，形成了一个球形晶核的总自由能变化△G非为非均质形核的临界晶核半径为将r*值代入△G非式，求得非均质形核的临界形核功△G非*为异质形核率单位体积中液相与非

4、均质核心部位接触的原子数影响异质形核率的因素1)过冷度过冷度↑形核率↑2)界面状况点阵失配度、夹杂物基底形态错配度δ越小，共格情况越好，界面张力σLC越小，越容易进行非均质形核；δ≤5%，为完全共格，非均质形核能力强5%＜δ＜25%，为部分共格，衬底基底有一定非均质形核能力δ＞25%，为不共格，衬底无非均质形核能力外来物质表面形貌杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差。3)液态金属状态过热对异质核心的影响晶体长大正温度梯度下的凝固界面形态负温度梯度下的凝固界面形态Jackson因子与界面形态粗糙与光滑界面二维和缺陷生长机制不同生

5、长机制的生长速度与过冷度的关系连续生长二维台阶生长螺旋位错生长不同生长机制的生长速度与过冷度的关系2.3液态金属的冶金处理影响形核的冶金处理•影响生长的冶金处理•共格和半共格关系(1)引入有效的异质形核基底和Al-B相图Al-Ti（2）形成先凝固的同质核心基底细化处理前后Al-7Si合金的组织Si对铸铁的孕育作用机理（3）形成瞬时局部形核条件孕育前后的灰铁晶粒度变质处理对Al-Si合金性能的影响影响晶粒长大的冶金处理Al-7Si合金变质前后的硅相形态Sr对亚共晶铝硅合金的变质作用abcdeunmodified0.005wt%Sr0.010wt%Sr0.015wt%

6、Sr0.020wt%SredcbaSi相的孪晶与大角度分枝石墨结构与生长方式球状石墨的生长模型球化前后的石墨组织思考题：液态金属的主要结构信息有哪些？其表征和测定方法怎样？这些结构与性质会对液态金属的凝固过程和凝固组织有什么影响？1.2.常用金属融化时的熵变与升华时的的熵变相大概是一个什么样的比例？这种熵变差异对金属从液态结晶和从气相中结晶的界面形态有什么影响？如果液态金属的结构是均匀的，结晶将如何进行？3.液态金属的冶金处理是通过哪些途径改变或控制凝固过程和凝固组织的？4.研讨题：按热力学理论估算，大多数金属当尺寸很小时（如小于2nm），其熔点将降至室温以下。我

7、们能在室温下拥有（制备和储存）如此小尺寸的金属粉末（颗粒）吗？为什么？