金属学与热处理2012-2013-第3章 纯金属的结晶VIP免费

1/63材料科学与工程学院侯清宇本科生课程金属学与热处理第3章纯金属的结晶2/63教学回顾：第2章讲述了金属与合金的结构。包括纯金属的晶体结构与晶体缺陷、合金相的结构等。材料的结构不同，性能也不同。金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。与第2章类似，本章（第3章）先讲述纯金属的结晶。对于合金的结晶则在第4章中进行讲述。3/63教学要求：1、掌握纯金属结晶条件及过程，结晶的基本规律；2、掌握细化铸态金属晶粒的措施及方法。重点：金属结晶时的条件、晶核形成与长大；细化铸态金属晶粒的措施及方法。难点：晶核形成与长大机制。学时：共4学时。4/63固态原子分布§3.1纯金属结晶的基本条件与过程气态原子分布液态原子分布一、金属结晶的结构条件液态金属的结构特点：结构与固态金属近似；液态金属原子仍保持一定的键合；存在无数微小的有序排列的近程有序的原子集团；近程有序的原子集团尺寸不同，取向各异，瞬时形成，又瞬时消失，时聚时散，形成结构（相）起伏。5/63金属的结晶：液态金属转变为金属晶体的过程。金属结晶的实质：由不稳定的具有近程有序排列原子集团的液态结构转变为稳定的长（远）程有序的晶体结构的过程。结晶近程有序结构长程有序结构结构起伏纯金属结晶的结构条件：液态金属存在结构(相)起伏：一定能结晶吗？6/63(一)纯金属结晶的热分析曲线：时间t-温度曲线T理论结晶温度实际结晶温度二、金属结晶的过冷现象1、过冷：金属的实际结晶温度低于理论结晶温度（熔点）的现象。2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差。△T=Tm-Tn>0——过冷度不恒定。(二)冷却曲线的宏观特征之一：存在过冷和过冷度7/63**金属不同，过冷度的大小也不同。**金属的纯度越高，过冷度越大。**对于一定纯度的金属而言，冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。结晶过程伴随潜热释放，冷却曲线上出现平台。结晶潜热：液相结晶为固相时所释放的热量。(三)冷却曲线的宏观特征之二：存在结晶潜热和平台8/63金属为什么不能在理论结晶温度结晶，而需要一定的过冷度？涉及到结晶的热力学条件。结晶潜热⇋环境散热→冷却平台→平台延续的过程就是结晶所需的时间。结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。9/63热力学：主要研究系统转变的方向和限度。┕转变的可能性液态金属冷却到一定温度以下时，其结晶是自发进行的过程，必须满足一定的热力学条件。热力学第二定律指出，在等温等压情况下，自发过程的变化总是从高自由能状态向低自由能状态转变。即ΔG=G(转变后)-G(转变前)<0，转变自发进行。——最小自由能原理。三、金属结晶的热力学条件：存在过冷度10/63熵S表征系统中原子排列混乱程度的参量，S恒大于零。固相原子排列有序；因此：SsS固，GL随T↑而下降的速率大于GS，在G-T曲线上存在交点，Tm-理论结晶温度。△TTnTmTGLGS△G结晶熔化温度自由能G液相和固相自由能随温度变化示意图(1)T=Tm，GS=GL，两相共存(2)T＞Tm，GS＞GL，固变液(3)T＜Tm，GS＜GL，液变固(一)液态金属结晶时的自由能变化图析自由能之差为结晶驱动力，是结晶的热力学条件┙SpdTdG＝－)(12/63过冷度越大，相变驱动力越大，结晶速度越快┙TSHG结晶时必须过冷的根本原因是液态金属结晶需要驱动力┙根据公式(二)转变驱动力ΔGV与过冷度ΔT的关系()()()()VsLssLLSLSLGGGHTSHTSHHTSS恒压下结晶潜热LmSLmHHL理论结晶温度Tm下，△GV=0()mmSLmLTSSTS△GV与过冷度ΔT关系(/)(1/)/VmmmmmmmGLTLTLTTLTT...