1、第四章第四章 單組元晶體材料的凝固單組元晶體材料的凝固晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程形核形核晶體的生長(zhǎng)晶體的生長(zhǎng)凝固體的結(jié)構(gòu)凝固體的結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程1 1、凝固與結(jié)晶、凝固與結(jié)晶 引子：自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且引子：自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。凝固凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程的統(tǒng)稱。：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程的統(tǒng)稱。結(jié)晶結(jié)晶：晶體的形成形成過(guò)程。：晶體的形成形成過(guò)程。凝結(jié)蒸發(fā)凝固熔化凝華升華晶體的形成過(guò)程包括，原始

2、相可以是氣體(凝華)、液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉(zhuǎn)變未另一種晶體。意義意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大多數(shù)用冶煉來(lái)方法生產(chǎn)出來(lái)，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過(guò)冷卻后才冶煉來(lái)方法生產(chǎn)出來(lái)，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過(guò)冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程有關(guān)，從而也影響材料的性能。程有關(guān)，從而也影響材料的性能。一、概述一、概述2 2、凝固狀態(tài)的影響因素、凝固狀態(tài)的影響因素 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程引子：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無(wú)規(guī)則排

3、列的非晶態(tài)，也可引子：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無(wú)規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面。以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面。物質(zhì)的本質(zhì)物質(zhì)的本質(zhì)：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。：原子以那種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉布斯自由能更低。溫度高時(shí)原子活動(dòng)能力強(qiáng)排列紊亂能量低，而低溫下按特定方溫度高時(shí)原子活動(dòng)能力強(qiáng)排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量。這是熱力學(xué)的基本原則。式排列結(jié)合能高可降低其總能量。這是熱力學(xué)的基本原則。熔融液體的粘度熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力，隨溫：粘度表征流體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加

4、，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前，粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)時(shí)，即可以保持固定的形狀，能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)時(shí)，即可以保持固定的形狀，這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。例如玻璃、高分子材料。熔融液體的冷卻速度：熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來(lái)不及冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來(lái)不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時(shí)難以重組合成晶體，重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時(shí)難以重組合成晶體，可以將無(wú)規(guī)則排列固定下來(lái)。金屬材料需要達(dá)到可以將無(wú)規(guī)則排列固定下來(lái)。金屬材料需要

5、達(dá)到10106 6/s/s才能才能獲得非晶態(tài)。獲得非晶態(tài)。 在一般生產(chǎn)過(guò)程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時(shí)的凝在一般生產(chǎn)過(guò)程的冷卻條件下，金屬材料凝固為晶體，這時(shí)的凝固過(guò)程也是結(jié)晶過(guò)程。固過(guò)程也是結(jié)晶過(guò)程。二、二、結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程 結(jié)晶過(guò)程不是在任何情況下都能結(jié)晶過(guò)程不是在任何情況下都能自動(dòng)發(fā)生。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過(guò)自動(dòng)發(fā)生。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過(guò)程總是向著自由能降低的方向進(jìn)行。程總是向著自由能降低的方向進(jìn)行。在單一的組元情況下：在單一的組元情況下： SdTVdpdGTSHG在恒壓下，在恒壓下，dp = 0dp = 0

6、，因此，因此 SdTdGTCdTdSTdGdp22其中其中S S為熵，為正值；為熵，為正值；CpCp為等壓熱容量，也是一正值。因此吉布為等壓熱容量，也是一正值。因此吉布斯自由能斯自由能G G和溫度和溫度T T的曲線總是凹向下的下降形式。的曲線總是凹向下的下降形式。 二、二、結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶的熱力學(xué)條件 第一節(jié)晶體形成的一般過(guò)程第一節(jié)晶體形成的一般過(guò)程 因?yàn)橐后w的熵值恒大于固體的熵，因?yàn)橐后w的熵值恒大于固體的熵，所以液體的曲線下降的趨勢(shì)更陡，兩所以液體的曲線下降的趨勢(shì)更陡，兩曲線相交處的溫度曲線相交處的溫度T Tm m，當(dāng)溫度，當(dāng)溫度T= TT= Tm m時(shí)，液相和固相的自由能相等，處于時(shí)，

7、液相和固相的自由能相等，處于平衡共存，所以稱平衡共存，所以稱T Tm m為臨界點(diǎn)，也就為臨界點(diǎn)，也就是理論凝固溫度。當(dāng)是理論凝固溫度。當(dāng)T TT TT Tm m時(shí)，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使時(shí)，從固體向液體的轉(zhuǎn)變使吉布斯自由能下降，是自發(fā)過(guò)程，發(fā)吉布斯自由能下降，是自發(fā)過(guò)程，發(fā)生熔化過(guò)程。生熔化過(guò)程。 所以結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件就是所以結(jié)晶過(guò)程的熱力學(xué)條件就是溫度在理論熔點(diǎn)以下。溫度在理論熔點(diǎn)以下。三、三、結(jié)晶的潛熱結(jié)晶的潛熱 第一節(jié)晶體形成的一般過(guò)程第一節(jié)晶體形成的一般過(guò)程在在T= TmT= Tm時(shí)：時(shí)：0)(LsmSSTHSTHG從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，此時(shí)有從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，此時(shí)有0)(LSSSTH是

8、一放熱過(guò)程，放出的這部分是一放熱過(guò)程，放出的這部分熱量稱為熱量稱為結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱。 四、結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷現(xiàn)象四、結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷現(xiàn)象第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程冷卻曲線冷卻曲線：材料在冷卻過(guò)程中，由：材料在冷卻過(guò)程中，由于存在熱容量，并且從液態(tài)變?yōu)楣逃诖嬖跓崛萘浚⑶覐囊簯B(tài)變?yōu)楣虘B(tài)還要放出結(jié)晶潛熱，利用熱分析態(tài)還要放出結(jié)晶潛熱，利用熱分析裝置，處在較慢的固定的散熱方式，裝置，處在較慢的固定的散熱方式，并將溫度隨時(shí)間變化記錄下來(lái)，所并將溫度隨時(shí)間變化記錄下來(lái)，所得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻得的曲線冷卻曲線，純金屬的冷卻曲線如圖示。曲線如圖示。 過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷現(xiàn)象：熔體材料冷卻到理

9、論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形：熔體材料冷卻到理論結(jié)晶溫度以下，并不是立即就形成晶體，材料處在應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來(lái)狀態(tài)，成晶體，材料處在應(yīng)該轉(zhuǎn)變的理論溫度以下，還保留原來(lái)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。過(guò)冷度過(guò)冷度：為了表述材料過(guò)冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際所處：為了表述材料過(guò)冷的程度，將理論轉(zhuǎn)變溫度與實(shí)際所處在的溫度之差稱為過(guò)冷度在的溫度之差稱為過(guò)冷度 。 T = Tm T五、結(jié)晶的一般過(guò)程五、結(jié)晶的一般過(guò)程 第一節(jié)第一節(jié) 晶體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程溫度變化規(guī)律溫度變化規(guī)律： 材料的熔體在熔點(diǎn)以上不斷材料的熔體在熔點(diǎn)以上不斷散熱，溫度不斷下降，到理論結(jié)散熱

10、，溫度不斷下降，到理論結(jié)晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶晶溫度并不是馬上變成固態(tài)的晶體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過(guò)冷。過(guò)冷體，繼續(xù)降溫而出現(xiàn)過(guò)冷。過(guò)冷到某一程度開始結(jié)晶，放出結(jié)晶到某一程度開始結(jié)晶，放出結(jié)晶潛熱，可能會(huì)使其溫度回升。到潛熱，可能會(huì)使其溫度回升。到略低于熔點(diǎn)的溫度時(shí)，放出的熱略低于熔點(diǎn)的溫度時(shí)，放出的熱量和散熱可達(dá)到平衡，這時(shí)處于量和散熱可達(dá)到平衡，這時(shí)處于固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平固定溫度，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)。結(jié)晶過(guò)程完成，沒有潛熱的臺(tái)。結(jié)晶過(guò)程完成，沒有潛熱的補(bǔ)充，溫度將重新不斷下降，直補(bǔ)充，溫度將重新不斷下降，直到室溫。到室溫。 五、結(jié)晶的一般過(guò)程五、結(jié)晶的一般過(guò)程 第一節(jié)第一節(jié) 晶

11、體形成的一般過(guò)程晶體形成的一般過(guò)程組織的變化組織的變化：在一定的過(guò)冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細(xì)小的：在一定的過(guò)冷度下，在液態(tài)的熔體內(nèi)首先有細(xì)小的晶體生成，這個(gè)過(guò)程稱為晶體生成，這個(gè)過(guò)程稱為形核形核。隨后已形成的晶核不斷的。隨后已形成的晶核不斷的長(zhǎng)大長(zhǎng)大，同時(shí)在未轉(zhuǎn)變的液體中伴隨新的核心的形成。生長(zhǎng)過(guò)程到相鄰的同時(shí)在未轉(zhuǎn)變的液體中伴隨新的核心的形成。生長(zhǎng)過(guò)程到相鄰的晶體互相接觸，直到液體全部轉(zhuǎn)變完畢。晶體互相接觸，直到液體全部轉(zhuǎn)變完畢。每個(gè)成長(zhǎng)的晶體就是一每個(gè)成長(zhǎng)的晶體就是一個(gè)晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。個(gè)晶粒，它們的接觸分界面就形成晶界。 第二節(jié)第二節(jié) 形核形核一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核

12、 在一定的過(guò)冷度下，液體中若出在一定的過(guò)冷度下，液體中若出現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)現(xiàn)一固態(tài)的晶體，該區(qū)域的能量將發(fā)生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變生變化，一方面一定體積的液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，體積自由能會(huì)下降，另一方為固體，體積自由能會(huì)下降，另一方面增加了液固相界面，增加了表面面增加了液固相界面，增加了表面自由能，因此總的吉布斯自由能變化自由能，因此總的吉布斯自由能變化量為：量為： 其中其中G GV V為單位體積內(nèi)固液吉布斯自由能之差，為單位體積內(nèi)固液吉布斯自由能之差，V V為晶體的體為晶體的體積，積，為界面能，為界面能，A A為界面的面積。一為界面的面積。一個(gè)細(xì)小的晶體出現(xiàn)后，個(gè)細(xì)小的晶體

13、出現(xiàn)后，是否能長(zhǎng)大，決定于在晶體的體積增加時(shí)，其自由能是否為下是否能長(zhǎng)大，決定于在晶體的體積增加時(shí)，其自由能是否為下降。降。 存在過(guò)冷的液體，依靠自身的原子運(yùn)動(dòng)可能形成晶核存在過(guò)冷的液體，依靠自身的原子運(yùn)動(dòng)可能形成晶核，這種方式稱為這種方式稱為自發(fā)形核自發(fā)形核。1. 能量變化能量變化一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核第二節(jié)第二節(jié) 形核形核在一定過(guò)冷度下，在一定過(guò)冷度下，GGV V為負(fù)值，而為負(fù)值，而恒恒為正值。可見晶體總是希望有最大的體為正值。可見晶體總是希望有最大的體積和最小的界面積。設(shè)積和最小的界面積。設(shè)GGV V和和為常數(shù)，為常數(shù)，最有利的形狀為球。設(shè)球的半徑為最有利的形狀為球。設(shè)球的半徑為r r

14、，有：有： 這里這里r rc c稱為臨界尺寸，當(dāng)細(xì)小晶體的半徑大于臨界尺寸，晶體稱為臨界尺寸，當(dāng)細(xì)小晶體的半徑大于臨界尺寸，晶體長(zhǎng)大時(shí)吉布斯自由能下降，這種可以長(zhǎng)大的小晶體稱為晶核。長(zhǎng)大時(shí)吉布斯自由能下降，這種可以長(zhǎng)大的小晶體稱為晶核。如果它的半徑小于臨界尺寸，晶體長(zhǎng)大時(shí)吉布斯自由能將上升，如果它的半徑小于臨界尺寸，晶體長(zhǎng)大時(shí)吉布斯自由能將上升，自發(fā)過(guò)程為不斷減小到消失。自發(fā)過(guò)程為不斷減小到消失。 vcvGrdrGdrGrG2043423得令2. 臨界大小臨界大小一、自發(fā)形核一、自發(fā)形核第二節(jié)第二節(jié) 形核形核 熔體的溫度在熔點(diǎn)附近時(shí)，盡管處在液態(tài)，即總體的排列熔體的溫度在熔點(diǎn)附近時(shí)，盡管處在液

15、態(tài)，即總體的排列是無(wú)序的，但局部的小區(qū)域并非靜止不動(dòng)的，原子的運(yùn)動(dòng)可造是無(wú)序的，但局部的小區(qū)域并非靜止不動(dòng)的，原子的運(yùn)動(dòng)可造成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動(dòng)，對(duì)成局部能量在不斷變化，其瞬間能量在平均值的上下波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)的結(jié)構(gòu)( (原子排列原子排列) )在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列，在變化，小范圍可瞬間為接近晶體的排列，其范圍大小對(duì)應(yīng)的能量于平均能量之差其范圍大小對(duì)應(yīng)的能量于平均能量之差GG如上所述，這就稱為如上所述，這就稱為“能量起伏能量起伏”和和“結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏”。 對(duì)于過(guò)冷液體，出現(xiàn)對(duì)于過(guò)冷液體，出現(xiàn)GG大小差別的幾率正比大小差別的幾率正比于于 )exp(

16、RTG小于臨界尺寸的小于臨界尺寸的( (也稱為晶胚也稱為晶胚) )下一步減小到消失，大于臨界尺下一步減小到消失，大于臨界尺寸的可能不斷長(zhǎng)大，也就是晶核。等于臨界尺寸大小的晶核高寸的可能不斷長(zhǎng)大，也就是晶核。等于臨界尺寸大小的晶核高出平均能量的那部分稱為出平均能量的那部分稱為“形核功形核功”。 過(guò)冷度愈小，固過(guò)冷度愈小，固液自由能差也小，臨界尺寸大，形核功液自由能差也小，臨界尺寸大，形核功也高，出現(xiàn)的幾率也小。太小的過(guò)冷度在有限的時(shí)空范圍內(nèi)不也高，出現(xiàn)的幾率也小。太小的過(guò)冷度在有限的時(shí)空范圍內(nèi)不能形核，即形核要求有基本的過(guò)冷度。能形核，即形核要求有基本的過(guò)冷度。 3.3.晶核的來(lái)源晶核的來(lái)源二、

17、形核率二、形核率第二節(jié)第二節(jié) 形核形核形核率形核率(N)(N)：?jiǎn)挝粫r(shí)間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成：?jiǎn)挝粫r(shí)間在單位母體（液體）的體積內(nèi)晶核的形成數(shù)目稱為形核率。數(shù)目稱為形核率。過(guò)冷度對(duì)形核率的影響過(guò)冷度對(duì)形核率的影響 形核率決定于體系中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界尺寸的幾率，也受原子形核率決定于體系中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界尺寸的幾率，也受原子活動(dòng)或遷移能力的影響。活動(dòng)或遷移能力的影響。 RTGRTGVAkeeKN三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 第二節(jié)第二節(jié) 形核形核 如果形核不是在液體內(nèi)部，如果形核不是在液體內(nèi)部，如附著在某些已存在的固體如附著在某些已存在的固體( (液液體中存在的未熔高熔點(diǎn)雜質(zhì)體中存在

18、的未熔高熔點(diǎn)雜質(zhì)) )，例如在固體上形成球冠形，這時(shí)例如在固體上形成球冠形，這時(shí)可以利用附著區(qū)原液體和雜質(zhì)的可以利用附著區(qū)原液體和雜質(zhì)的界面能，特別是核心和雜質(zhì)間可界面能，特別是核心和雜質(zhì)間可能有小的界面能。能有小的界面能。這種依附在某這種依附在某些已有的固體上形核稱之為非些已有的固體上形核稱之為非自自發(fā)形核。發(fā)形核。 1.能量變化能量變化G=GvG=Gv* *V+(V+(LSLS* *A ALSLS+SBSB* *A ASBSB-LBLB* *A ASBSB) )3coscos32(33 rV22/2/sin)cos1 (2rArABSSLcos/SLBSBL三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 第

19、二節(jié)第二節(jié) 形核形核1. 能量變化能量變化4coscos323均非GGVkGrdrGd20)(可以得到令2. 作用效果作用效果1)過(guò)冷度過(guò)冷度 自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界半徑相同，隨著過(guò)冷自發(fā)形核與非自發(fā)形核的臨界半徑相同，隨著過(guò)冷度的增加臨界半徑減小，形核率將明顯上升。度的增加臨界半徑減小，形核率將明顯上升。三、非自發(fā)形核三、非自發(fā)形核 第二節(jié)第二節(jié) 形核形核2. 作用效果作用效果2)2)基底性質(zhì)基底性質(zhì) 若若LBLB大于或等于（大于或等于（LSLSSBSB），則），則=0=0。 說(shuō)明不用形核，即可直接以基體為心形核。說(shuō)明不用形核，即可直接以基體為心形核。 若若（LBLBLSLS）小于或等于

20、）小于或等于SBSB，則，則=180=180。 說(shuō)明基底對(duì)形核無(wú)效果，即不能在基底上形核。說(shuō)明基底對(duì)形核無(wú)效果，即不能在基底上形核。 一般情況下一般情況下01800180。 比較小的，成為活性固體，對(duì)形比較小的，成為活性固體，對(duì)形核的促進(jìn)作用較大。核的促進(jìn)作用較大。 SBSB愈小，愈小，愈小，促進(jìn)作用愈大。愈小，促進(jìn)作用愈大。3)3)基底形狀基底形狀 凹面更有利形核凹面更有利形核 晶核往往在模壁底裂縫或小孔晶核往往在模壁底裂縫或小孔處先出現(xiàn)。處先出現(xiàn)。 總之，非均勻晶核有利的降低總之，非均勻晶核有利的降低臨界過(guò)冷度，大大提高形核率。臨界過(guò)冷度，大大提高形核率。第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大

21、 一、長(zhǎng)大條件一、長(zhǎng)大條件 從熱力學(xué)分析可知，要使系統(tǒng)的自由能下降，在液從熱力學(xué)分析可知，要使系統(tǒng)的自由能下降，在液固界固界面附近的部分液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，依然要求在界面附近要存在過(guò)冷面附近的部分液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，依然要求在界面附近要存在過(guò)冷度，前面冷卻曲線上平臺(tái)和理論結(jié)晶溫度之差就是長(zhǎng)大所要求的度，前面冷卻曲線上平臺(tái)和理論結(jié)晶溫度之差就是長(zhǎng)大所要求的過(guò)冷度，也稱為過(guò)冷度，也稱為“動(dòng)態(tài)過(guò)冷度動(dòng)態(tài)過(guò)冷度”。 金屬材料的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度很小，僅金屬材料的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度很小，僅0.010.050.010.05，而非金屬材，而非金屬材料的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度就大得多。若液料的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度就大得多。若液固界面處于平衡，則界面的溫固

22、界面處于平衡，則界面的溫度應(yīng)該為理論結(jié)晶溫度度應(yīng)該為理論結(jié)晶溫度。二、長(zhǎng)大速度二、長(zhǎng)大速度 凝固過(guò)程中，晶體在不斷長(zhǎng)大，界面在單位時(shí)間向前推移的凝固過(guò)程中，晶體在不斷長(zhǎng)大，界面在單位時(shí)間向前推移的垂直距離稱為長(zhǎng)大線速度。垂直距離稱為長(zhǎng)大線速度。三、三、正溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大正溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大 正溫度梯度是指液正溫度梯度是指液固界面前沿的液體溫度隨到界面的距固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離的增加而升高，這時(shí)結(jié)晶過(guò)程的潛熱只能通過(guò)已凝固的固體離的增加而升高，這時(shí)結(jié)晶過(guò)程的潛熱只能通過(guò)已凝固的固體向外散失。向外散失。 平衡時(shí)界面的溫度為理論結(jié)晶溫度，平衡時(shí)界面

23、的溫度為理論結(jié)晶溫度，液體的溫度高于理論結(jié)晶溫度。當(dāng)通過(guò)液體的溫度高于理論結(jié)晶溫度。當(dāng)通過(guò)已凝固的固體散失熱量時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)過(guò)已凝固的固體散失熱量時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)過(guò)冷的部分液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，界面向前推冷的部分液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，界面向前推移，到達(dá)理論結(jié)晶溫度處，生長(zhǎng)過(guò)程將移，到達(dá)理論結(jié)晶溫度處，生長(zhǎng)過(guò)程將停止。所以這時(shí)界面的形狀決定于散熱，停止。所以這時(shí)界面的形狀決定于散熱，實(shí)際上為理論結(jié)晶溫度的等溫面。在小實(shí)際上為理論結(jié)晶溫度的等溫面。在小的區(qū)域內(nèi)界面為平面，局部的不平衡帶的區(qū)域內(nèi)界面為平面，局部的不平衡帶來(lái)的小凸起因前沿的溫度較高而放慢生來(lái)的小凸起因前沿的溫度較高而放慢生長(zhǎng)速度，因此可理解為齊步走，稱

24、為長(zhǎng)速度，因此可理解為齊步走，稱為平平面推進(jìn)方式生長(zhǎng)面推進(jìn)方式生長(zhǎng)。四、四、負(fù)溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大負(fù)溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大 負(fù)溫度梯度是指液負(fù)溫度梯度是指液固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離固界面前沿的液體溫度隨到界面的距離的增加而降低，這時(shí)結(jié)晶過(guò)程的潛熱不僅可通過(guò)已凝固的固體的增加而降低，這時(shí)結(jié)晶過(guò)程的潛熱不僅可通過(guò)已凝固的固體向外散失，而且還可向低溫的液體中傳遞。向外散失，而且還可向低溫的液體中傳遞。 在小的區(qū)域內(nèi)若為平面，局在小的區(qū)域內(nèi)若為平面，局部的不平衡可帶來(lái)某些小凸起，部的不平衡可帶來(lái)某些小凸起，因前沿的溫度較低而有利生長(zhǎng)，因前沿的溫度較低而有利生長(zhǎng)，因而凸起的生長(zhǎng)速度將大于平均因而

25、凸起的生長(zhǎng)速度將大于平均速度，凸起迅速向前發(fā)展，可理速度，凸起迅速向前發(fā)展，可理解賽跑的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在凸起上可解賽跑的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在凸起上可能再有凸起，如此發(fā)展而表現(xiàn)為能再有凸起，如此發(fā)展而表現(xiàn)為數(shù)枝晶的方式長(zhǎng)大。枝晶間的空數(shù)枝晶的方式長(zhǎng)大。枝晶間的空隙最后填充，依然得到一完整的隙最后填充，依然得到一完整的晶體。晶體。第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大四、四、負(fù)溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大負(fù)溫度梯度下晶體的長(zhǎng)大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大關(guān)于樹枝晶關(guān)于樹枝晶：按樹枝方式生長(zhǎng)的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為按樹枝方式生長(zhǎng)的晶體稱為樹枝晶，先凝固的稱為主干，隨后是分支，再分支。值得指出的是：主干，隨后是分

26、支，再分支。值得指出的是：純凈的材料結(jié)晶純凈的材料結(jié)晶完畢見不到樹枝晶，但凝固過(guò)程中一般體積收縮，樹枝之間若得完畢見不到樹枝晶，但凝固過(guò)程中一般體積收縮，樹枝之間若得不到充分的液體補(bǔ)充，樹枝晶可保留下來(lái)；不到充分的液體補(bǔ)充，樹枝晶可保留下來(lái)； 生長(zhǎng)中晶體分支生長(zhǎng)中晶體分支受液體流動(dòng)、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角受液體流動(dòng)、溫差、重力等影響，同方向的分支可能出現(xiàn)小的角度差，互相結(jié)合時(shí)會(huì)留下位錯(cuò)；度差，互相結(jié)合時(shí)會(huì)留下位錯(cuò)； 或材料中含有雜質(zhì)，在結(jié)晶或材料中含有雜質(zhì)，在結(jié)晶時(shí)固體中的雜質(zhì)比液體少，最后不同層次的分枝雜質(zhì)含量不相同，時(shí)固體中的雜質(zhì)比液體少，最后不同層次的分枝雜質(zhì)含量不

27、相同，其組織中可見樹枝晶。其組織中可見樹枝晶。五、五、非金屬晶體的長(zhǎng)大非金屬晶體的長(zhǎng)大第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大 在正溫度梯度下，等溫面和有利的晶體表面不相同時(shí)，界在正溫度梯度下，等溫面和有利的晶體表面不相同時(shí)，界面會(huì)分解為臺(tái)階形。面會(huì)分解為臺(tái)階形。 在表面的臺(tái)階處有利晶體在表面的臺(tái)階處有利晶體的生長(zhǎng)，這時(shí)原子從液體轉(zhuǎn)移的生長(zhǎng)，這時(shí)原子從液體轉(zhuǎn)移到固體中增加的表面積較小，到固體中增加的表面積較小，臺(tái)階填充完后在表面生長(zhǎng)也需臺(tái)階填充完后在表面生長(zhǎng)也需要一定的臨界尺寸，表現(xiàn)為非要一定的臨界尺寸，表現(xiàn)為非金屬生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度比金屬金屬生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度比金屬大，可達(dá)到大，可達(dá)到3535，其中特

28、別，其中特別是螺位錯(cuò)造成的表面臺(tái)階對(duì)生是螺位錯(cuò)造成的表面臺(tái)階對(duì)生長(zhǎng)有利，并且是永遠(yuǎn)填不滿的長(zhǎng)有利，并且是永遠(yuǎn)填不滿的臺(tái)階。臺(tái)階。六、六、界面結(jié)構(gòu)對(duì)晶體生長(zhǎng)影響界面結(jié)構(gòu)對(duì)晶體生長(zhǎng)影響第三節(jié)第三節(jié) 晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大受界面能和表明熵的影響，液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩中類型：受界面能和表明熵的影響，液固界面的微觀結(jié)構(gòu)有兩中類型：粗糙界面生長(zhǎng)時(shí)向各個(gè)方向無(wú)區(qū)別。對(duì)于粗糙界面生長(zhǎng)時(shí)向各個(gè)方向無(wú)區(qū)別。對(duì)于平滑界面能低的晶面與等溫面不重和，原平滑界面能低的晶面與等溫面不重和，原子將在臺(tái)階面處生長(zhǎng)。（無(wú)臺(tái)階時(shí)，少量子將在臺(tái)階面處生長(zhǎng)。（無(wú)臺(tái)階時(shí)，少量的原子很難吸附在光滑平面上，需要一批的原子很難吸附在光滑平面上

29、，需要一批原子原子，所需的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度較，所需的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度較大。最終的形狀與晶體的各向異性相關(guān)，大。最終的形狀與晶體的各向異性相關(guān)，對(duì)應(yīng)獨(dú)特的外形。對(duì)應(yīng)獨(dú)特的外形。平滑型平滑型( (晶面型晶面型) ) 界面上界面上原子排列平整，通常為晶原子排列平整，通常為晶體的某一特定晶面，界面體的某一特定晶面，界面上缺位或單貼原子較少。上缺位或單貼原子較少。粗糙型粗糙型( (非晶面型非晶面型) ) 界面上缺位或單貼原子較多，高高低低，界面上缺位或單貼原子較多，高高低低，粗糙不平，不顯示任何晶面特征。大多金屬材料時(shí)如此。粗糙不平，不顯示任何晶面特征。大多金屬材料時(shí)如此。第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應(yīng)用舉例凝固理論的

30、應(yīng)用舉例 一、晶粒尺寸一、晶粒尺寸 晶粒的尺寸指統(tǒng)計(jì)描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并晶粒的尺寸指統(tǒng)計(jì)描述晶粒的大小，各晶粒的大小和形狀并不全相同，這就是統(tǒng)計(jì)的含義，有多種來(lái)計(jì)量，例如單位體積內(nèi)不全相同，這就是統(tǒng)計(jì)的含義，有多種來(lái)計(jì)量，例如單位體積內(nèi)的晶粒個(gè)數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測(cè)定方法是在放大的晶粒個(gè)數(shù)。在生產(chǎn)中用晶粒度，測(cè)定方法是在放大100100倍下觀倍下觀察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對(duì)比評(píng)級(jí)，察和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行對(duì)比評(píng)級(jí)，1818級(jí)級(jí)( (有更高的有更高的) )，級(jí)別高的晶粒細(xì)。，級(jí)別高的晶粒細(xì)。級(jí)別的定義為在放大級(jí)別的定義為在放大100100下，每平方英寸內(nèi)下，每平方英寸內(nèi)1 1個(gè)晶粒時(shí)為一級(jí)，數(shù)個(gè)晶

31、粒時(shí)為一級(jí)，數(shù)量增加量增加 倍提高一級(jí)。用于計(jì)算的定量描述還用平均截線長(zhǎng)來(lái)倍提高一級(jí)。用于計(jì)算的定量描述還用平均截線長(zhǎng)來(lái)表示。表示。 二、鑄件晶粒大小的控制二、鑄件晶粒大小的控制 第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應(yīng)用舉例凝固理論的應(yīng)用舉例決定晶粒尺寸的要素決定晶粒尺寸的要素： 從液體凝固后，每個(gè)晶核生長(zhǎng)成一個(gè)晶從液體凝固后，每個(gè)晶核生長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理論分析表明晶粒尺寸決定于定于N/GN/G，即形核率高晶粒細(xì)小，而長(zhǎng)大速度快，晶粒尺寸增大。，即形核率高晶粒細(xì)小，而長(zhǎng)大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理與方法：控制原理與方

32、法：生產(chǎn)過(guò)程通常希望材料得到細(xì)小的尺寸，為此生產(chǎn)過(guò)程通常希望材料得到細(xì)小的尺寸，為此控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低澆注溫度和加快冷卻速度，如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長(zhǎng)大速度都提高，但形核如金屬模、或加快散熱，盡管形核率和長(zhǎng)大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒將細(xì)化，可是快冷卻速度會(huì)增加率的提高快得多，所得到的晶粒將細(xì)化，可是快冷卻速度會(huì)增加零件的內(nèi)應(yīng)力有時(shí)甚至可能造成開裂，有時(shí)因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺零件的內(nèi)應(yīng)力有時(shí)甚至可能造成開裂，有時(shí)因生產(chǎn)環(huán)境和零件尺寸達(dá)不到快速冷卻。第二，加變質(zhì)劑即人為加入幫助形核的其它寸達(dá)不到快速

33、冷卻。第二，加變質(zhì)劑即人為加入幫助形核的其它高熔點(diǎn)細(xì)粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加高熔點(diǎn)細(xì)粉末，如在銅中加少量鐵粉或鋁中加AlAl2 2O O3 3粉等，以非粉等，以非均勻方式形核并阻礙長(zhǎng)大。第三，鑄件凝固中用機(jī)械或超聲波震均勻方式形核并阻礙長(zhǎng)大。第三，鑄件凝固中用機(jī)械或超聲波震動(dòng)等也可細(xì)化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，動(dòng)等也可細(xì)化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高溫的材料，對(duì)這些因素進(jìn)行相反的操作。對(duì)這些因素進(jìn)行相反的操作。 三、凝固體的結(jié)構(gòu)三、凝固體的結(jié)構(gòu)第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應(yīng)用舉例凝固理論的應(yīng)用舉例表層等軸細(xì)晶區(qū)表層等軸細(xì)晶區(qū) 晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，晶粒細(xì)小，取向隨機(jī)，

34、尺寸等軸，因?yàn)闈茶T時(shí)錠模溫度低，大的尺寸等軸，因?yàn)闈茶T時(shí)錠模溫度低，大的過(guò)冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形過(guò)冷度加上模壁和涂料幫助形核，大的形核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)晶區(qū)。核率使與錠模接觸的表層得到等軸細(xì)晶區(qū)。柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū) 隨模具溫度的升高，只能隨錠隨模具溫度的升高，只能隨錠模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表模的散熱而降低溫度，形核困難，只有表層晶粒向內(nèi)生長(zhǎng)，不同晶向的生長(zhǎng)速度不層晶粒向內(nèi)生長(zhǎng)，不同晶向的生長(zhǎng)速度不一樣，那些較生長(zhǎng)有利的部分晶粒同時(shí)向一樣，那些較生長(zhǎng)有利的部分晶粒同時(shí)向內(nèi)長(zhǎng)大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗內(nèi)長(zhǎng)大，掩蓋了大量的晶粒，形成了較粗且方向基本相同的長(zhǎng)形晶

35、粒區(qū)。且方向基本相同的長(zhǎng)形晶粒區(qū)。 中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū) 凝固的進(jìn)行后期，四周散凝固的進(jìn)行后期，四周散熱和液體的對(duì)流，中心的溫度達(dá)到均勻，熱和液體的對(duì)流，中心的溫度達(dá)到均勻，降到凝固點(diǎn)以下后，表層晶粒的沉降、生降到凝固點(diǎn)以下后，表層晶粒的沉降、生長(zhǎng)中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向長(zhǎng)中碎斷晶枝的沖入可作為核心，且可向四周均勻生長(zhǎng)，形成等軸晶。晶核數(shù)量的四周均勻生長(zhǎng)，形成等軸晶。晶核數(shù)量的有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。有限，該區(qū)間的晶粒通常較粗大。 力學(xué)性能力學(xué)性能 表層硬表層硬柱狀區(qū)有方向形柱狀區(qū)有方向形中心疏松、多雜質(zhì)中心疏松、多雜質(zhì)四、四、鑄錠中的組織缺陷鑄錠中的組織缺陷第四節(jié)第四節(jié)

36、凝固理論的應(yīng)用舉例凝固理論的應(yīng)用舉例縮孔：縮孔：大多材料凝固后體積收縮，留下的空腔就形成縮孔，縮孔是不可避大多材料凝固后體積收縮，留下的空腔就形成縮孔，縮孔是不可避免的，減少危害措施可后加液體補(bǔ)縮減小縮孔，讓縮孔在不使用部位，免的，減少危害措施可后加液體補(bǔ)縮減小縮孔，讓縮孔在不使用部位，如鑄錠或鑄件的冒口，凝固后切去來(lái)保證使用部位無(wú)縮孔。如鑄錠或鑄件的冒口，凝固后切去來(lái)保證使用部位無(wú)縮孔。 疏松：疏松：實(shí)際為微小分散的收縮孔，樹枝間或晶粒間收縮孔被凝固的固體封閉實(shí)際為微小分散的收縮孔，樹枝間或晶粒間收縮孔被凝固的固體封閉而得不到液體補(bǔ)充而留下得缺陷。中部比邊緣多，尺寸大的鑄件比小尺而得不到液體

37、補(bǔ)充而留下得缺陷。中部比邊緣多，尺寸大的鑄件比小尺寸鑄件嚴(yán)重。型材的軋制可減小或消除其不利的影響。寸鑄件嚴(yán)重。型材的軋制可減小或消除其不利的影響。 氣孔：氣孔：液體中的氣體在凝固中未排出在凝固體內(nèi)形成的缺陷。氣體的來(lái)源析液體中的氣體在凝固中未排出在凝固體內(nèi)形成的缺陷。氣體的來(lái)源析出型出型( (氣體在液、固中的溶解度不同氣體在液、固中的溶解度不同) )和反應(yīng)型和反應(yīng)型( (凝固過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反凝固過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)生成應(yīng)生成) )。 夾雜物：夾雜物：與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒，外來(lái)夾雜物有澆鑄中沖與基體要求成分和組織都不相同多余顆粒，外來(lái)夾雜物有澆鑄中沖入的其它固體物，如耐火材料、

38、破碎鑄模物等。入的其它固體物，如耐火材料、破碎鑄模物等。 成分偏析：成分偏析：在多組元材料中，不同位置材料的成分不均勻叫做偏析。按其區(qū)在多組元材料中，不同位置材料的成分不均勻叫做偏析。按其區(qū)域分為宏觀偏析域分為宏觀偏析( (不同區(qū)域的成分不同不同區(qū)域的成分不同) )和微觀偏析和微觀偏析( (各區(qū)域平均成分相同，各區(qū)域平均成分相同，在微觀位置如一個(gè)晶粒的內(nèi)部或更小的范圍看成分有差別在微觀位置如一個(gè)晶粒的內(nèi)部或更小的范圍看成分有差別) )。 五、單晶的制備五、單晶的制備 第四節(jié)第四節(jié) 凝固理論的應(yīng)用舉例凝固理論的應(yīng)用舉例 盡管在工程材料中應(yīng)用的絕盡管在工程材料中應(yīng)用的絕大多數(shù)是細(xì)晶粒多晶體材料，在大多數(shù)是細(xì)晶粒多晶體材料，在高溫應(yīng)用一些粗晶粒的材料，但高溫應(yīng)用一些粗晶粒的材料，但在一些專門的場(chǎng)合，如電子工業(yè)在一些專門的場(chǎng)合，如電子工業(yè)或科學(xué)研究中也經(jīng)常需要單晶體