第六章 单组元相图及纯晶体的凝固.ppt

第六章单组元相图及纯晶体的凝固本章主要讲授内容基本概念6.1单元系相变的热力学及相平衡相律62）相律的推导3）相律的应用相律的应用二、单元系相图单元系相图单元系相图单元系相图曲线分析
五个区域：
-Fe、δ-Fe、γ-Fe、液相、气相
三种固相
（-Fe、δ-Fe）--面心立方
（γ-Fe）--体心立方
两条晶型转变线
压力恒定－－只用一个温度轴表示
四个转变点
Tm（1538℃）--纯铁的熔点
A4（1394℃）--δ-Fe和γ-Fe转变点
A3（912℃）--γ-Fe和-Fe转变点
A2（768℃）--磁性转变点、居里点1516单元系相图单元系相图6.2纯晶体的凝固凝固为什么要研究凝固问题？一、纯金属结晶的宏观现象结晶过程宏观现象1、过冷现象2、结晶潜热平台的出现←结晶潜热的释放补偿了散失
到周围环境的热量
平台延续的时间是结晶过程所用的时间
第一个转折点：结晶过程开始
第二个转折点：结晶过程结束

在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于
向周围环境散失的热量，温度将会回升，
甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象二、金属结晶的微观过程金属结晶微观过程=形核+长大三、金属结晶的热力学条件设在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为：
令液相→固相的单位体积自由能的变化为，则

其中

经整理，
四、金属结晶的结构条件2、结构起伏：液态金属中近程有序的原子集团是处于不断变化之中，瞬间
形成、瞬间消失，此起彼伏，这种不断变化的近程有序的原子集团称为结
构起伏或相起伏
五、形核1、均匀形核分析：①r↑，体积自由能的减小的速率比表面能的增
加的速率要快，但开始时表面能占优；
②r增加到某一极限值，体积自由能的减小占优，出现
极大值ΔGK，对应rK；
③r<rK，随晶胚尺寸r↑→ΔG↑（过程不能自动进行，
晶胚不能成为稳定晶核，瞬时产生，瞬时消失）；
④r>rK，随晶胚尺寸r↑→ΔG↓（自动进行→形成
稳定晶核）

r=rK→临界晶核半径

临界形核半径与过冷度的关系：

过冷度越大→临界晶核半径越小上节内容回顾分析：①两条曲线的交点所对应的过冷度ΔTK为临界过冷度；
②当ΔT<ΔTK，过冷液体中存在的最大晶胚尺寸rmax<rK，不能转变为晶核；
③当ΔT=ΔTK，rmax=rK，正好达到临界晶核半径；
④当ΔT>ΔTK，rmax>rK，液态金属的结晶易于进行。思考：晶核半径在rK~r0范围内的晶核能够成为稳定晶核吗？
当r=rK→ΔG出现极大值ΔGK，

分析：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3
的表面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核做功。形核功3）形核率：在单位时间内单位体积液相中形成的晶核数目。
影响形核率的因素
①过冷度↑→临界晶核半径、形核功↓→形核率↑
②过冷度↑→温度↓→原子扩散能力↓→形核率↓
N1为受形核功影响的形核率因子，N2为受原子扩散能力影响的形核率因子以铜为例，计算形核时临界晶核中的原子数：
已知纯铜的凝固的温度Tm=1356K，ΔT=236K，熔化热Lm=1628106J/m3，
比表面能σ=17710-3J/m3。

求解：

铜的点阵常数a0=3.61510-10m，晶胞体积为VL=（a0）3=4.72410-29m3

而临界晶核的体积为：

则临界晶核中晶胞的数目：

铜是面心立方晶体结构，每个晶胞中的原子数为4，则一个临界晶核的原子数目为1734=692个原子2、非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核非均匀形核形核小结：六、晶体长大晶体长大按原子尺度分类：光滑界面、粗糙界面
1）光滑界面—液、固两相截然分开
微观尺度：界面光滑
宏观尺度：锯齿状
小平面界面晶体长大晶体长大3、晶体长大方式和生长速率2）二维形核：光滑界面
二维晶核：指一定大小的单分子或单原子的平面薄层。
形核-扩展铺满整个表面-生长中断-形核

特点：①不连续长大；②长大速度慢；③所需过冷度较大。晶体长大方式和长大速率台阶各处沿着晶体表面向前移动的线速度相等，但由于台阶的起始点不动，所以台阶各处相对于起始点移动的角速度不等。离起始点越近，角速度越大，于是随原子的铺展，台阶先是发生弯曲，而后即以起始点为中心回旋起来。台阶每横扫界面一次，晶体就增大一个原子间距，但由于中心回旋速度快，中心突出起来，形成螺钉状的晶体。七、结晶动力学及凝固组织1）固液界面前沿液体中的温度梯度
①正温度梯度：指液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度
分布状况。
即过冷度随至界面距离的增加而减小
结晶潜热的释放：只能通过固相
例子—液态金属在铸型中凝固过程纯晶体凝固时的生长形态2）晶体生长的界面形状—晶体形态
①在正的温度梯度下生长的界面形态：平面状生长
以平面状向前推移
光滑