第三章液态金属结晶的基本原理 上VIP免费

第第33章液态金属结晶的基本原理章液态金属结晶的基本原理材料加工工程林晓娉材料加工工程林晓娉((教授教授))第三章液态金属结晶的基本原理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,,并对随后冷却过并对随后冷却过程中的相变程中的相变,,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响..此外此外,,还影响到了铸件结晶过程中伴随的其他现象还影响到了铸件结晶过程中伴随的其他现象..对铸件的质量对铸件的质量,,性能性能以及其他的工艺过程都有着极其重要的作用以及其他的工艺过程都有着极其重要的作用..本章将从本章将从热力学热力学和和动力学动力学的角度出发的角度出发,,系统的理论的讲述液态金属结系统的理论的讲述液态金属结晶的基本原理晶的基本原理,,为后续章节的学习奠定基础为后续章节的学习奠定基础..本章主要内本章主要内容容::1.1.生核过程生核过程2.2.晶体的长大晶体的长大3.3.凝固过程中质量的传输凝固过程中质量的传输4.单相合金的结晶5.共晶合金的结晶金属结晶理论晶核的形成晶核的长大条件热力学条件：过冷度临界过冷度结构条件：结构起伏（相起伏）临界晶核能量条件：能量起伏临界形核功方式均匀形核：形核率受过冷度影响非均匀形核：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：动态过冷度机制垂直长大：粗糙界面横向长大：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、过冷度有关第四章液态金属结晶的基本原理知识框架第四章液态金属结晶的基本原理知识框架河工北大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•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。纯金属的冷却曲线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（3.4）而式中q-系统从外界吸收的热量；A-系统对外界所作的功。在恒温下在只有膨胀功时所以代入（3.4）得：在恒压条件下dP=0所以由于熵恒为正值，所以通常在压力一定的条件下，自由能随温度升高而降低。SdTTdSVdPPdVddGVAqdTdSqPdVAPdVTdSAqdSdTdGSdTdGPVV纯金属液—固两相自由能随温度变化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。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。mmmmmmmVTTLTTTLSTLG)7.3(STLSSTHHTSH)TSH(GGGmmSLSLSSLLSLVmmmmmmTTVTLS0STL)G(m一克分子物质自由能的变化为：这里Lm=(HL－HS)为结晶潜热；△Ｓm=(SL-SS)为熔融熵。平衡状态下所以：式中为过冷度。对于给定金属，熔化潜热Lm和熔点Tm均为定值，故GV仅与有关。因此液态金属（合金）凝固的驱动力是由过冷度提供的。TT3.1.3金属结晶的结构条件（1）液态金属结构结构：短...