第三章液态金属结晶的基本原理 上

第3章 液态金属结晶的基本原理

材料加工工程 林晓娉 (教授)

第三章 液态金属结晶的基本原理液态金属的结晶过程决定了铸件凝固后的结晶组织,并对随后冷却过 程中的相变,过饱和相析出和相的分析及铸件的热处理过程产生极大的影 响.此外,还影响到了铸件结晶过程中伴随的其他现象.对铸件的质量,性能 以及其他的工艺过程都有着极其重要的作用. 本章将从热力学和动力学的角度出发,系统的理论的讲述液态金属结 晶的基本原理,为后续章节的学习奠定基础.

本章主要内容: 1.生核过程 2.晶体的长大 3.凝固过程中质量的传输 4.单相合金的结晶

5.共晶合金的结晶

河工 北大

第四章 液态金属结晶的基本原理知识框架

晶核的 形成金属 结晶 理论 晶核的 长大

热力学条件：过冷度 临界过冷度 条件 结构条件：结构起伏(相起伏) 临界晶核 能量条件：能量起伏 临界形核功均匀形核：形核率受过冷度影响 方式 非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响 参数：形核率 条件：动态过冷度 垂直长大：粗糙界面 机制 横向长大：光滑界面

二维晶核台阶机制

晶体缺陷台阶机制 形态 平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主 树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面 参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关

3.1 液态金属的结晶过程3.1.1、金属结晶的微观现象 结晶的基本过程：形核-长大 交错重叠进行。 描述结晶进程的两个参数：

形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内 迁移的距离。用G表示。

3.1.1 金属结晶的宏观现象 冷却曲线：冷却过程中温度随时间的变化曲线。 测定方法：热分析

纯金属的冷却曲线 金属结晶温度： 开始结晶温度Tn,理论结晶温度Tm(两相平衡), 平台 过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。△T=Tm-Tn 。

3.1.2 金属结晶的热力学条件 最小自由能原理：在等温、等压下，过秤自动进 行的方向是系统自由能降低的方向，这个过程一 直进行到自由能具有最低值为止。系统的自由焓 可用下式表示 G=H-TS (3.1) G-自由焓；H-热焓；T-绝对温度；S-熵值。 而 H=U+PV (3.2) 所以G=U+PV-TS =U-TS+PV=F+PV (3.3) 这里自由能F=U-TS。当PV很小时，G≈F,所以常 粗略的将自由焓称作为自由能。因此，体系体积 自由能可用下式表示 GV=U-TS+PV

dGV d PdV VdP TdS SdT

(3.4)

而

d q A

式中q-系统从外界吸收的热量；A-系统对外界所作

的功。 在恒温下 q TdS 在只有膨胀功时 A PdV所以 代入(3.4)得： 在恒压条件下dP=0 所以

d q A TdS PdV dGV S dT P

dGV SdT

由于熵恒为正值，所以通常在压力一定的条件下，自由能 随温度升高而降低。

又因为液态熵值大于固态熵 ，所以液相摩尔自由 能随温度上升而下降的斜率大于固相的斜率，如图 所示。T=Tm时，GS=GL 液-固 两相处于平衡状态 T<Tm时，GL>GS 结晶可能自发进行。 这时两相自由能只差 就构成了结晶的驱动 力——金属结晶的热 力学条件。纯金属液—固两相自由能随温度变化

一克分子物质自由能的变化为： G V G L G S (H L T SL ) H S T SS H L H S T S L SS L m T S m ( 3.7)

这里Lm=(HL-HS )为结晶潜热； △Sm=(SL-SS)为熔融熵。平衡状态下( G V ) T Tm L m Tm Sm 0 Sm

Lm Tm L T T L m T 所以： G V L m T Sm m m Tm Tm

式中 T 为过冷度。对于给定金属，熔化潜热Lm和熔点Tm均为 定值，故GV仅与 T 有关。因此液态金属(合金)凝固的驱动力 是由过冷度提供的。

3.1.3 金属结晶的结构条件 (1)液态金属结构结构：短程有序的原子集团特点(与固态相比): 原子间距较大；

原子配位数较小；原子排列较混乱。

液态结构模型： 微晶无序模型， 拓扑无序模型(密集无序堆垛模型)

实际液体结构是动态的

三、 金属结晶的结构条件(2)结构起伏(相起伏):液态材料中出现的短程有序原 子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件(之二)。 晶胚：尺寸较大、能长大为晶核的短程规则排列结构。 一定温度下，最大的晶胚尺寸有一个极限值，液态金属 的过冷度越大，实际可能出现的最大晶胚尺寸也越大。

3.1.4 液态金属的结晶过程根据经典相变动力学 理论，液相原子在凝固驱 动力△Gm作用下，从高自 由能GL的液态结构转变为 低自由能GS的固态晶体结 构过程中，必须越过一个 能垒△GA,才能使凝固过 程得以实现。就是说，要 使结晶过程得以实现，金 属原子在转变过程中还必 须克服能量障碍△GA。

对于像金属结晶这样的相变而言，由于新、旧两相结 构上相差较大，因而△GA也较高。如果体系在大范围内同 时进行转变，则体系内的大量原子必须同时进入高能的中 间状态。这将引起整个体系自由能的极大增高，因此是不 可能的。 因为体系总是力图以最“省力”的方式进行转变， 而体系内的起伏现象又为这种“省力”的方式提供了可能。 因此，液态金属结晶的典型转变方式是：首先，体系通过 起伏

作用在某些围观小区域内克服能障而形成稳定的新相 小质点-晶 …… 此处隐藏：2362字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……