第九章凝固
第九章凝固
前言物质从液态到固态的转变过程称为凝固。如果液态转变为结晶态材料，这个过程又叫做结晶。能否形成晶体与液态物质的黏度和冷却速度有关。通常凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体结晶过程是一相变过程，掌握结晶过程的规律可为今后研究固态相变的普遍规律打下基础，对控制产品质量、提高性能也是非常重要的
前言 • 物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 • 如果液态转变为结晶态材料，这个过程又叫做结晶。 • 能否形成晶体与液态物质的黏度和冷却速度有关。 • 通常凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体 结晶过程是一相变过程，掌握结晶过程的规律可为今后研 究固态相变的普遍规律打下基础，对控制产品质量、提高 性能也是非常重要的
一、金属的结晶规律1.1液态金属的结构现代液态金属结构理论认为，液态中原子是密集堆集的。从长程来说是无序、无规则排列的；而在短程范围内，原子某一瞬间是接近晶态的规则排列。这种时聚时散的“短程有序”现象称为“结构起伏”或“相起伏”。这种短程有序的原子集团就是晶胚。在一定条件下，大于一定尺寸的晶胚就可能成为晶核
现代液态金属结构理论认为，液态中原子是密集 堆集的。从长程来说是无序、无规则排列的；而在短 程范围内，原子某一瞬间是接近晶态的规则排列。这 种时聚时散的“短程有序”现象称为“结构起伏”或 “相起伏”。这种短程有序的原子集团就是晶胚。在 一定条件下，大于一定尺寸的晶胚就可能成为晶核。 一、金属的结晶规律 1.1 液态金属的结构
1.2纯金属的结晶过程液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程晶核：当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就会涌现一批小的微小晶体。晶粒：每个晶核长大至相互接触后，形成外形不规则的小晶体。多晶体：由多个这样的小晶粒组成单晶体：由一个小晶核生成的晶粒。福图6-3纯金属结晶过程示意图
1.2 纯金属的结晶过程 液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。 • 晶核：当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就会 涌现一批小的微小晶体。 • 晶粒：每个晶核长大至相互接触后，形成外形不规则的小晶体。 • 多晶体：由多个这样的小晶粒组成。 • 单晶体：由一个小晶核生成的晶粒
二、 纟结晶的热力学条件、结晶的过冷现象结晶中的两个名词：过冷：纯金属的实际结晶温度(T）低于理论结晶温度(Tm)过冷度：△T(△T=Tm-T)T结晶必须在过冷的条件下进行
二、 结晶的热力学条件 1 、结晶的过冷现象 结晶中的两个名词： • 过冷：纯金属的实际结晶温度(Tn )低于理论结晶温 度(Tm ) • 过冷度：ΔT(ΔT=Tm -Tn ) 结晶必须在过冷的条件下进行
注意金属的过冷度并不是一个恒定的值。它受金属中杂质和冷却速度的影响，金属越纯，过冷度越大，冷却速度越快，过冷度也越大。过冷度越大，形核数目越多，结晶后的晶粒就越细，铸件的机械性能也就越高。所以改变过冷度可以控制铸件的晶粒大小
注意 • 金属的过冷度并不是一个恒定的值。它 受金属中杂质和冷却速度的影响，金属 越纯，过冷度越大，冷却速度越快，过 冷度也越大。 • 过冷度越大，形核数目越多，结晶后的 晶粒就越细， 铸件的机械性能也就越高 。所以改变过冷度可以控制铸件的晶粒 大小
结晶的热力学条件2.根据液固金属自由能G与温度关系曲线如图所示：AG-O-GG=Gs 所对应的温度T即理论平衡结晶温度当T时，G<G两者之差值即为结晶的驱G动力。GL温度过冷度越大，结晶的Tm驱动力也越大图5-3液态和固态的吉布斯自由能-温度曲线过冷是结晶的热力学条件
2、 结晶的热力学条件 根据液固金属自由能G与温 度关系曲线如图所示： ◆GL =Gs 所对应的温度Tm 即理论平衡结晶温度 ◆当T<Tm时，Gs <GL两者 之差值即为结晶的驱 动力。 ◆过冷度越大，结晶的 驱动力也越大 ◆过冷是结晶的热力学 条件
三、形核规律结构起伏（相起伏）不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大，它是液态金属结构的重要特征，也是产生晶核的基础形核方式均匀形核(Homogeneous nucleation);非均匀形核(Heterogeneousnucleation)工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行。均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础
三、形核规律 • 形核方式 均匀形核(Homogeneous nucleation)； 非均匀形核(Heterogeneous nucleation) 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行。 均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题 的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。 • 结构起伏（相起伏） 不断变换着的近程有序原子集团，大小不等，时而产生，时而 消失，此起彼伏，与无序原子形成动态平衡，这种结构不稳定 现象称为结构起伏。温度越低，结构起伏尺寸越大，它是液态 金属结构的重要特征，也是产生晶核的基础
1、1 均匀形核均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程1.均匀形核的能量条件在过冷的液态金属中，晶胚形成时，体系自由能的变化包括：一表细自由能更特uyA.转变为固态的那AG总自小能至化部分体积引起的0自由能下降模载丰物B.形成晶胚新表面动AG一体相自由能变化引起的自由能的Tr'aG,增加我全成凝围过程中品的成品核的自由能空化每其中经的关系，加果氧载半轻大子稳定品佳释连族生长
1、1 均匀形核 均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中 形成新相结晶核心的过程。 1.均匀形核的能量条件 在过冷的液态金属中，晶胚形成时，体系自由能 的变化包括： A. 转变为固态的那 部分体积引起的 自由能下降 B. 形成晶胚新表面 引起的自由能的 增加
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化：△Gk=-△Gy+△Gs= -（4 /3) πr3 △Gy +4 元r2 V、S：晶胚的体积及表面面积AGv：液、固两相单位体积自由能差绝对值，过冷到熔点以下时，自由能为负值晶胚界面吉布斯自由能在左边，随r增大，AGK晶核自由能升高，G在右边则0随增大自由能减k体积吉布斯自由能图5-5晶核半径与△G的关系
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶 胚时，总的自由能变化： ΔGK =- ΔGV+ΔGS= -（4 /3） πr3 ΔGV +4 πr2 σ V、S：晶胚的体积及表面面积 ΔGV ：液、固两相单位体积自由能差绝对值. 过冷到熔点以下时，自由能为负值. 在rK左边， 随r增大， 自由能升高， 在rK右边则 随r增大 自由能减小