资源描述：
《材料科学基础__山东大学__第三章__课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、材料科学基础20010.9第三章凝固—前言凝固：物质从液态到固态的过程称为凝固。结晶：得到的固态物质为晶体的凝固过程。学习目的：一般金属材料均需经过冶炼和铸造，因外界条件的差异，凝固所获得铸件的内部组织会有所不同，将影响其工艺性能、使用性能和寿命；了解金属的凝固过程，掌握其有关规律，对控制铸件质量，提高制品的性能等都有重要意义；凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。2021/7/212第三章凝固第三章凝固—前言主要内容：1.凝固规律2.凝固理论的应用过冷现象凝固条件基本过程形核长大长大方式和形态长大速率非均匀形核均匀形核2021/7/213第三章凝固§3.1金
2、属结晶的基本规律金属结晶过程:形核—长大过程。形核有孕育期;已有晶核不断长大,新晶核不断形成;晶核相遇后停止长大,所有液态金属消耗完后结晶完成,得多晶粒组织,晶粒位向各不相同.金属结晶的微观现象2021/7/214第三章凝固§3.1金属结晶的基本规律2021/7/215第三章凝固§3.1金属结晶的基本规律金属结晶的宏观现象冷却曲线热分析装置示意图纯金属的冷却曲线2021/7/216第三章凝固§3.1金属结晶的基本规律结晶温度Tm(T0):液体材料的理论结晶(凝固)温度—金属的熔点;Tn:实际开始结晶温度;"平台"的形成:材料结晶潜热的释放等于体系向外界的散热;相律
3、:f=C–P+1f:自由度,C:组元,P:平衡相数目.实际结晶("平台")温度:略低于理论结晶温度.2021/7/217第三章凝固§3.1金属结晶的基本规律过冷现象与过冷度过冷(undercooling):纯金属开始结晶温度总是低于理论结晶温度的现象;过冷度:液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际开始温度之差,即:T=T0–Tn过冷度是金属结晶的必要条件,即结晶总是在一定的过冷条件下进行的;过冷度越大,开始结晶的温度越低;金属越纯,过冷度越大;冷却速度越大,过冷度越大.过冷度对金属形核长大及性能有重要影响.2021/7/218第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件
4、之一:热力学条件—之二:结构条件—结构起伏之三:能量条件—能量起伏过冷度2021/7/219第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件金属结晶的热力学条件液、固态金属自由能—温度曲线等温等压条件下,物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变.热力学第二定律—转变的热力学判据:T=Tm:两相共存;T>Tm:固态熔化为液态;T>Tm:液态凝固为固态.自由能-温度曲线★2021/7/2110第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件T>0,G<0—过冷是结晶的必要条件之一;T越大,G的绝对值越大—过冷度越大,越有利于结晶;G的绝对值是凝固过程的驱动力—两相的自
5、由能差值是相转变的驱动力.是结晶形核的驱动力2021/7/2111第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件液态金属的结构微晶无序模型:长程无序,短程有序;拓朴无序模型:基本单元(近程有序)随机堆垛而成;与固态相比,原子间距稍大,配位数略小(见表3-1),原子排列较混乱.金属结晶的结构条件无序结构模型示意图2021/7/2112第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件一般结构模型都是表示静态的结构，实际液体中的原子是在不停地热运动，无论是近程有序或无序的区域，都在不停的变换着，液体中这些不断变换着的近程有序原子集团与那些无序原子形成动态平衡。2021/7/2113第三章凝固
6、§3.2金属结晶的基本条件结构起伏:结构起伏:液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现的现象.一定温度下不同尺寸的短程有序原子集团出现的几率呈正态分布,过小不能稳定存在,只有超过一定尺寸才有可能成为晶核.晶胚:过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构.晶胚的稳定存在与过冷度有关,过冷度越大,实际出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件之二.2021/7/2114第三章凝固§3.2金属结晶的基本条件金属结晶的能量条件能量起伏：能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象;能量起伏也是结晶的必要条件之一;原因:形成
7、临界晶核时,体积自由能的降低只能补偿2/3表面能的增加,还有1/3的表面能必须由系统的能量起伏来提供.2021/7/2115第三章凝固§3.3晶核的形成形核:母相中形成等于或大于临界尺寸的新相晶核.均匀形核：依靠母相自身能量变化获得驱动力,由晶胚直接长成晶核的过程,又称自发形核或均质形核.非均匀形核：晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成的过程,又称非自发形核或异质形核.2021/7/2116第三章凝固§3.3晶核的形成均匀形核2021/7/2117第三章凝固§3.3晶核的形成非均匀形核2021/7/2118第三章凝固§3.3晶核的形成—均匀形核晶胚形成时的能量变
8、化形成晶胚
