际工程应用中的金属铸件结晶时的过冷度一般都在20℃以下。 均匀形核 1.均匀形核时的能量变化 当温度降到熔点以下时,在液态金属中存在结构起伏,即有瞬时存在的有序 原子集团,它可能成为均匀形核的“胚芽”或称晶胚。晶胚中的原子组成晶态的 规则排列.而其外层原子却与液态金属中求规则排列的原子相接触而构成界面。 当过冷液体中出现晶胚时,一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变 为固态的排列状态,体系内的吉布斯自由能降低,但另一方面。由于晶胚构成新 的界面、又会引起表面吉布斯自由能的增加.因此体系总的吉布斯自由能的变化 为 △G=V·△G1+A·y 式中ΔGν是液、固两相单位体积吉布斯自由能之差,为负值;￥是晶胚单位面 积表面能,为正值;V和A分别是晶胚的体积和表面积。为减少表面积,设晶胚 为球形,其半径为r,则式(67)可写成: △G=2m3.△G1+4m2 (6-8) 式(6-8)右端的第一顶为与半径r的立方值成正比的负值,第二项为与半径r的 平方值成正比的正值。在一定的温度下,设ΔGy和为确定的常数,得到ΔG 随r变化的曲线如图6-5所示 界面吉布斯 自由能 晶核 △G 体积吉布斯自 由能 图6-5晶核半径与△G的关系 2.临界晶核 ΔG在半径为rk时达到最大值。可见T<Tm时.也不是所有晶胚都稳定而能 成为晶核,如果晶胚『<rk,则其生长将导致体系吉布斯自由能的增加,故这种晶 胚不稳定,会重新熔化,即在起伏中消失;若r>r,晶胚便能生长.体系的吉布 斯自由能随r的增大而降低,此时晶胚就成为晶核:若r=rk,该晶胚即可能成长 Chap2Chap2 第4页 际工程应用中的金属铸件结晶时的过冷度一般都在 20℃以下。 一、均匀形核 1. 均匀形核时的能量变化 当温度降到熔点以下时，在液态金属中存在结构起伏，即有瞬时存在的有序 原子集团，它可能成为均匀形核的“胚芽”或称晶胚。晶胚中的原子组成晶态的 规则排列．而其外层原子却与液态金属中求规则排列的原子相接触而构成界面。 当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状态转变 为固态的排列状态，体系内的吉布斯自由能降低，但另—方面。由于晶胚构成新 的界面、又会引起表面吉布斯自由能的增加．因此体系总的吉布斯自由能的变化 为: ∆G = V ⋅ ∆G + A⋅γ V (6—7) 式中ΔGV 是液、固两相单位体积吉布斯自由能之差，为负值；γ是晶胚单位面 积表面能，为正值；V 和 A 分别是晶胚的体积和表面积。为减少表面积，设晶胚 为球形，其半径为 r，则式(6—7)可写成： ∆ = π ⋅ ∆ + π ⋅γ 3 2 4 3 4 G r G r V (6—8) 式(6—8)右端的第一顶为与半径 r 的立方值成正比的负值，第二项为与半径 r 的 平方值成正比的正值。在一定的温度下，设ΔGV 和γ为确定的常数，得到ΔG 随 r 变化的曲线如图 6－5 所示。 2．临界晶核 ΔG 在半径为 rk 时达到最大值。可见 T<Tm时．也不是所有晶胚都稳定而能 成为晶核，如果晶胚 r<rk，则其生长将导致体系吉布斯自由能的增加，故这种晶 胚不稳定，会重新熔化，即在起伏中消失；若 r>rk，晶胚便能生长．体系的吉布 斯自由能随 r 的增大而降低，此时晶胚就成为晶核；若 r＝rk，该晶胚即可能成长