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第二章 材料的凝固 Material Concretion

材料由液态转变为固态的过程称为 凝固，由于材料通常在固态下使用， 所以凝固常常作为材料制备的基本 手段。如果凝固后得到晶体，这种 凝固过程就称为结晶。

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第一节 金属的结晶过程 Metal Crystallization所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。 一、结晶过程的宏观现象 过冷现象 温

度

结晶潜热 Tn 金属结晶时从液相转变为固 相放出的热量称为结晶潜热。

Tm

ΔT

时间

纯金属结晶时的 冷却曲线示意图

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金属结晶的微观过程 两个过程：形核与长大液体 晶核

金属结晶过程示意图

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第二节 金属的结晶理论 Metal Crystallography Theory一、金属结晶的热力学条件

自 由 能 G

Δ G=Δ GS-Δ GL<0

GS

GL

T

T0

温度T

液相和固相自由能随温度变化示意图

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二、金属结晶的结构条件 液态金属的结构 长程无序，短程有序，结构起伏 短程有序的原子集团是形核的结构条件。 三、晶核的形成 均匀形核 ΔG Δ G=Δ GVV+σ A

晶胚 Δ GK

界面自由能 晶核

G GV 4 r 3 4 r 2 3体积自由能

rK

r0

r

晶核半径与Δ G的关系

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d G dr

GV 4 r 2 8 r,令 ddrG 0, 得r 2GV2 GV

把r 得： K d 2 G dr 2

代入，

d 2 G dr 2

8 GV r 8

2 8 0;故在r 处有极大值点， G

记为rk 2GV ,此时 G有最大值：

G

16 3 2 ( G) 3

ΔGK称为临界形核功，rK称为临界形核半径。 当r<rK 时，晶胚的长大使ΔG增大，由于自发过程 向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长 大，而被重熔。 当r≥rK 时，晶胚的长大使ΔG减小，所以能自发进 行，晶胚能长大成为晶核。

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非均匀形核 σ Lα 液体L 先来研究一下非均匀形核的机理： S1 晶核α 假设一晶核S以球冠形状形成于 θ 基底C平面表面上，如图所示： σαβ σ Lβ S2 基底β σLS、σLC、Σcs分别为 r L—S,L—C,C—S之间的单位界面能； 非均匀形核示意图 θ为润湿角； A1为半径为rsinθ的圆面积， A2为球冠的表面积，V为球冠的体积； 由表面张力平衡关系知： σLScosθ+σsc=σLC A1=π(rsinθ)2

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A2 (2 r sin )rd 2 r 2 (1 cos )0

V (r sin ) d (r cos ) r (2 3

0

2 3 cos (cos ) 3 3

)

形核前的界面能为：σLCA1 形核后的界面能为：σLSA2+σSCA1

故：ΔGS=(σLSA2+σSCA1)-σLCA1

=2πr2σLS(1-cosθ)+πr2θ(σSC-σLC) 把σLC=σLScosθ+σsc代入上式，得： ΔGS=πr2σLS(2-3cosθ+(cosθ)3) ΔGS为形核的界面能变化值;

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体积相变吉布斯自由能:2 3 cos (cos ) 3 V GS GS r ( ) 3 由非均匀形核的总的吉布斯自由能变化为相变吉布斯自由能 与表面吉布斯自由能变化之和。3

2-3cos +(cos ) 3 G非=(- GV 4 r 3 LS 4 r 2 )( ) 3 4 2-3cos +(cos ) 3 = G均 ( ) 4

当θ=0叫完全润湿，ΔG非=0即不需要形核功，基底本身可看作 现成晶核,可以直接长大。 当0<θ<π时，ΔG非<ΔG均，且θ 愈小，形核愈容易。 当θ=π时，ΔG非=ΔG均，此时为均匀形核。

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四、长大 晶核的长大需要两个条件： 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子， 使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能 力，温度足够高。 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子， 这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加， 即在一定的过冷度下进行。 因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、 界面附近的温度梯度等条件有关。

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五、晶粒大小的控制 晶体中晶粒的大小，对金属性能有很大的影 响。晶体越细，金属的强度、硬度、韧性等机械 性能越好。 由凝固理论可知，单位体积晶粒数决定于形 核率N和长大速度Vg两个因素。因此控制形核率和 形核速度也就控制了晶粒的大小。 晶粒大小的控制方法： (1)增加过冷度； (2)变质处理； (3)振动、搅拌

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第三节 金属的同素异构转变 Allotropy Transformation on Metal

有些金属在固态时仅有一种晶体结构，如铝、铜、 银、金等等，可是有些金属则不然，在固态时有两种或 多种晶体结构，如铁、锰、钴等。固态金属在不同温度 或压强下具有不同晶体结构的现象，称为金属的同素异 构现象，也叫做金属的多晶型性。具有多晶型性的金属， 当温度或压强改变一定值时其结构会发生变化，从一种 晶格转变为另一种晶格，(即原子排列方式发生变化) 这叫同素异构转变，也叫多晶型性转变。 如纯铁，δFe→γFe→αFe

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第四节 铸态组织与缺陷 Structuer & Lacuna on Foundry一、铸态三晶区的形成 表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区姓名 李小红 刘兵 曾小玲 语文 85 83 81 13

铸 型94

生长方向

数学 93 94 89

英语 90

物理

柱状晶带 等轴晶

柱状晶区的生长示意图铸锭的三个晶区示意图 1-细晶区 2-柱状晶区 3- 中心等轴晶区

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三、铸造缺陷 铸造中常见的缺陷有缩孔、气孔和偏

析。 偏析 缩孔 气孔 夹杂

a)

b)

c)

d)

e)

几种缩孔形式

a)缩管

b)缩穴

c)单相收缩

d)一般疏松

e)中心疏松

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四、铸造缺陷的消除与防止

净化

镇静钢与沸腾钢连续铸造