凝固过程晶体形核和长大.ppt
《凝固过程晶体形核和长大.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《凝固过程晶体形核和长大.ppt(29页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、凝固过程晶体形核和长大,7. 凝固过程的晶体形核和长大,本章主要内容:,晶体长大的类型及动力学机制,晶体形核的热力学条件,凝固过程晶体形核和长大,形核: 晶体从无到有,即在液体中“出生”。 长大: 晶粒“出生”后从小变大,最终长成为晶粒的过 程。,形核,长大,形成多晶体,两个过程重叠交织,凝固过程晶体形核和长大,7.1 晶体形核,7.1.1 金属晶体与金属熔体的区别,晶态金属:具有长程平移对称性或周期性。,金属熔体:原子排列并非完全无序,但不具有长程有 序性。,金属熔体中原子的排列存在短程序(按一定规则排列的原子团),其尺寸很小,一般只含几十个到几百个原子,且处于动态变化中。,凝固过程晶体形核
2、和长大,7.1.2 形核的方式,均质形核 :形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程,所以也称“自发形核” (实际生产中均质形核是不太可能的,即使是在区域精炼的条件下,每1cm3的液相中也有约106个边长为103个原子的立方体状的微小杂质颗粒)。非均质形核:依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程,亦称“异质形核”或“非自发形核”。,凝固过程晶体形核和长大,7.1.3 形核的热力学条件,形核的热力学条件是指为了使形核过程能持续进行所必须 具有的一定热力学驱动力。,假定形核前后固、液相的吉布斯自由能分别为GS和GL,热焓分别为HS和HL,熵分别为SS和SL,熔体温度为T
3、,则凝固前后系统的自由能变化为:,因为:G = H- ST,所以:GV = GS - GL= (HS- SST) (HL- SLT ) = (HS - HL) T(SS - SL)即 GV = H - TS,凝固过程晶体形核和长大,通常视H 、S与温度无关, 当熔体温度T等于固相平衡熔点Tm时, G=0,相应地,S Hm / Tm (此处,Hm 为熔化潜热) 代入上式得:,当温度为熔点时,即T=Tm,Gv=0,即没有凝固驱动力,所以金属在熔点Tm上不可能凝固;因Hm为负值,只有当T0,即熔体的温度低于平衡温度时才能使形核过程具有一定的热力学驱动力。,凝固过程晶体形核和长大,7.1.4 均质形核
4、的动力学条件,满足形核的热力学条件只是指为形核过程的进行提供了可 能性,而必须同时满足形核的动力学条件,这种可能性才 能变成现实。,液相中形成球形晶胚时自由能变化,晶核形成时,系统自由能变化由两部分组成,即作为相变驱动力的液-固体积自由能之差(负)和阻碍相变的液-固界面能(正):,凝固过程晶体形核和长大,令: 得临界晶核半径 r*: r* 与T 成反比,即过冷度T 越大,r* 越小。,G*与T2成反比,过冷度T 越大,G* 越小。,相应,可得临界形核功 G*:,凝固过程晶体形核和长大,临界晶核的表面积为:,即:临界形核功G*的大小为临界晶核表面能的三分之一, 它是均质形核所必须克服的能量障碍,
5、形核功由熔体中的“能量起伏”提供。因此,过冷熔体中形成的晶核是“成分起伏”、“温度起伏”及“结构起伏”的共同产物。,而:,所以:,凝固过程晶体形核和长大,式中,GA为扩散激活能 , G* 是临界形核功。 T0时,G*,I 0 ; T 增大, G* 下降,I 上升。 对于一般金属,温度降到某一程度,达到临界过冷度(T*),形核率迅速上升。 计算及实验均表明: T*0.2Tm,均质形核的形核率 与过冷度的关系,形核率:是指单位体积中、单位时间内形成的晶核数目。,凝固过程晶体形核和长大,7.2 形核控制,7.2.1 影响形核的因素,实际金属铸件的凝固过程晶体形核一般是非均质形核,其 影响因素包含了均
6、质形核的情况。影响非均质形核的因素 主要为:,(1)形核温度。形核过程在一定过冷度下才能进行,对于 给定的合金,当过冷度大于某一值时,形核速率随温 度的降低迅速增大。,(2)形核时间。单位体积液相中形成晶核的数量是形核速 率对形核时间的积分。,凝固过程晶体形核和长大,(3)形核基底的数量。在非均质形核过程中,形核是在外 来基底上进行的,形核基底的数量决定着形核的数量。 形核基底的数量受各种随机因素的影响,很难定量描 述。非均质形核的理论模型仍需完善。,(4)接触角。对于非均质形核,析出固相与外来质点间接 触角是决定形核速率的关键因素。接触角越小,形核 速率就越大。当析出固相与外来质点间存在共格
7、晶面 并具有较小的错配度时,接触角就小,有利于形核。,(5)形核基底的形状。当接触角不变时,在凹面、平面、 凸面三种表面的基底上,界面为凹面时临界晶核的体 积最小,形核功最小。因此,当形核基底凹凸不平 时,存在大量凹角时形核效率将提高。,凝固过程晶体形核和长大,7.2.2 形核控制,研究形核规律是为了控制形核。对凝固过程的形核进行有效控制可以实现对凝固组织的控制。形核过程的控制包括促进形核、抑制形核和选择形核三个不同方面。,(1)促进形核 在普通铸件和铸锭的凝固中人们通常希望获得细小的等轴 晶组织以提高力学性能。 常常采用各种特殊措施促进形核,提高形核速率。,凝固过程晶体形核和长大,常见控制形
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 凝固 过程 晶体 长大
链接地址:https://www.31doc.com/p-13796938.html