1、關(guān)于純晶體的凝固第一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 6. 1金屬凝固的基本過(guò)程2)金屬凝固的微觀現(xiàn)象1)金屬凝固的宏觀現(xiàn)象本節(jié)主要講授內(nèi)容：第二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 通常把金屬開(kāi)始凝固的溫度Tn總是低于理論凝固溫度Tm的這種現(xiàn)象稱為“過(guò)冷現(xiàn)象”，而把 稱為過(guò)冷度。第三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、金屬凝固的微觀現(xiàn)象結(jié)晶的一般過(guò)程是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程交錯(cuò)從疊組合而成的過(guò)程。第四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 6. 2純金屬凝固時(shí)的熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)凝固的熱力學(xué)條件2)凝固的結(jié)構(gòu)條件第五張

2、，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、凝固的熱力學(xué)條件Gv=LmT/Tm a T0, Gv0過(guò)冷是結(jié)晶的必要 條件（之一）。 b T越大, Gv越小過(guò)冷度越大， 越有利于結(jié)晶。 c Gv的絕對(duì)值為凝固過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力。第六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、凝固的結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)起伏（相起伏）：液態(tài)材料中出現(xiàn)的短程有序原子集團(tuán)的時(shí)隱時(shí)現(xiàn)現(xiàn)象。是結(jié)晶的必要條件（之二）。結(jié)構(gòu)起伏的尺寸大小與溫度有關(guān)，溫度越低，結(jié)構(gòu)起伏的尺寸愈大。第七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月熱力學(xué)條件：Gv = GsGL0結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏小結(jié)：金屬凝固的條件第八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

3、 6. 3純金屬凝固時(shí)的形核過(guò)程本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)均勻形核2)非均勻形核第九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、均勻形核（1）晶胚形成時(shí)的能量變化 GVGv+S =(4/3)r3Gv+4r2 2臨界晶核dG/dr=0rk=-2/Gv 臨界晶核：半徑為rk的晶胚。 （3 臨界過(guò)冷度 rk=-2Tm/LmT臨界過(guò)冷度：形成臨界晶核時(shí)的過(guò)冷度。Tk. TTk是結(jié)晶的必要條件。第十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月r*、r maxT 關(guān)系曲線兩條曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的過(guò)冷度T*為臨界過(guò)冷度。（結(jié)晶可能開(kāi)始進(jìn)行的最小過(guò)冷度）。大小：T* = 0.2Tm （K)即： 當(dāng)T T* 時(shí)， r

4、max T* 時(shí)， rmax r* ，結(jié)晶易于進(jìn)行。第十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（4）形核功與能量起伏GkSk/3臨界形核功：形成臨界晶核時(shí)需額外對(duì)形核所做的功。 能量起伏：系統(tǒng)中微小區(qū)域的能量偏離平均能量水平而高低不一 的現(xiàn)象。（是結(jié)晶的必要條件之三）。 （5）形核率與過(guò)冷度的關(guān)系N=N1.N2 由于N受N1.N2兩個(gè)因素控制，形核率與過(guò)冷度之間是呈拋物線的關(guān)系。第十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月小結(jié)： 均勻形核是在過(guò)冷液相中完全依靠相起伏和能量起伏而實(shí)現(xiàn)的形核。體積自由能和表面自由能的相對(duì)大小，決定著臨界晶核

5、半徑的大小。 過(guò)冷度對(duì)均勻形核有重要的影響，只有當(dāng)液相過(guò)冷度T 臨界過(guò)冷度T*時(shí)，才能涌現(xiàn)r*的晶胚而形成晶核。熱力學(xué)條件， Gv = GsGL0時(shí), Gk非Gk, 雜質(zhì)促進(jìn)形核； c=180時(shí)，Gk非Gk， 雜質(zhì)不起作用第十六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4) 與T的關(guān)系圖4-7金屬結(jié)晶的形核率與過(guò)冷度的關(guān)系非均勻形核需較小的過(guò)冷度 T相同時(shí)，r* = r*非，但非均勻形核時(shí)，r*非只決定r，而才決定晶核的形狀和大小。非均勻形核率取決于以下因素：1）過(guò)冷度， ；2）外來(lái)夾雜， ；液體金屬的過(guò)熱， 。第十七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1）熱力學(xué)條件， Gv = GsG

6、LT* 提供形核的驅(qū)動(dòng)力 結(jié)構(gòu)條件：相起伏：尺寸r r*的晶胚 能量起伏： 臨界形核功金屬結(jié)晶形核的特點(diǎn)：2） r*與晶核的表面能成正比，與過(guò)冷度成反比，T ，r* ： 越大，T 越大。凡是能降低都能促進(jìn)形核。 3）均勻形核需要結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，二者是液體本身存在的自然現(xiàn)象。 4）晶核的形成過(guò)程是原子的擴(kuò)散遷移過(guò)程，因此結(jié)晶必須在一定的溫度下進(jìn)行。 5）工業(yè)生產(chǎn)中，金屬已非均勻形核為主。結(jié)晶條件第十八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 6. 4純金屬晶體的長(zhǎng)大4) 長(zhǎng)大方式1)晶體長(zhǎng)大的條件2)液固界面的微觀結(jié)構(gòu)3)晶體的長(zhǎng)大機(jī)制本節(jié)主要講授內(nèi)容：第十九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2

7、022年6月1、晶體長(zhǎng)大的條件 （1）動(dòng)態(tài)過(guò)冷動(dòng)態(tài)過(guò)冷度：晶核長(zhǎng)大所需的界面過(guò)冷度。（是材料凝固的必要條件） （2）足夠的溫度 （3）合適的晶核表面結(jié)構(gòu)。第二十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、液固界面的微觀結(jié)構(gòu)粗糙界面（微觀粗糙、宏觀平整金屬或合金從來(lái)可的界面）：垂直長(zhǎng)大。光滑界面（微觀光滑、宏觀粗糙無(wú)機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：橫向長(zhǎng)大：二維晶核長(zhǎng)大、依靠缺陷長(zhǎng)大。第二十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月JackSon的工作,從理論上證明了這兩種界面的存在。式中JackSon的工作,從理論上證明了這兩種界面的存在。 式中： N光滑界面上可以疊放原子的位置數(shù)； x界面

8、上被固相原子占據(jù)位置的分?jǐn)?shù)（0 1.0） ； k波爾茨曼常數(shù)； Tm熔點(diǎn)； ，稱為因子。將上述表達(dá)式對(duì)不同的值作 與x 的關(guān)系曲線,如下圖所示:第二十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月從圖上可以得出兩類固液界面的結(jié)論： 當(dāng)時(shí)a=5，x在靠近0或1處，界面能最小； 當(dāng)時(shí)a=2-5，處于中間狀態(tài)，其界面是混合型第二十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、晶體的長(zhǎng)大機(jī)制1）垂直長(zhǎng)大機(jī)制（連續(xù)長(zhǎng)大）大多數(shù)金屬晶體均以這種方式長(zhǎng)大，是針對(duì)粗糙界面結(jié)構(gòu)提出來(lái)的,按這種方式成長(zhǎng),需要的動(dòng)態(tài)過(guò)冷度很小 ，.Vg=K1T第二十四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 是針對(duì)光滑界面結(jié)構(gòu)提

9、出的,平滑界面主要依靠小臺(tái)階接納原子的橫向生長(zhǎng)方式向前推移, 橫向生長(zhǎng)機(jī)制的類型可分為：二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng)及晶體缺陷臺(tái)階生長(zhǎng)兩種，如下圖所示。 2)橫向長(zhǎng)大機(jī)制晶體以這種方式長(zhǎng)大時(shí)，其長(zhǎng)大速度十分緩慢。長(zhǎng)大速度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶核長(zhǎng)大的線速度，用Vg表示。Vg = K2 e-B/T(1)二維晶核臺(tái)階生長(zhǎng) 實(shí)際金屬。它的長(zhǎng)大速度比二維晶核長(zhǎng)大方式快得多。Vg =K3T2（2)螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制第二十五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、長(zhǎng)大方式純金屬其長(zhǎng)大方式主要有兩種：a) 平面長(zhǎng)大在正的溫度梯度下,兩種界面結(jié)構(gòu)的金屬，都會(huì)以平面狀生長(zhǎng)。b) 枝晶長(zhǎng)大 晶體向樹(shù)枝那樣向前長(zhǎng)大，不斷分支發(fā)展。

10、在負(fù)溫度梯度下, 微觀粗糙界面以樹(shù)枝狀方式生長(zhǎng)，一般純金屬都具有這種樹(shù)枝狀長(zhǎng)大形態(tài)第二十六張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1）正的溫度梯度 5、固液界面前沿液體中的溫度分布（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越高） 粗糙界面：平面狀。 光滑界面：臺(tái)階狀。 第二十七張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）負(fù)溫度梯度（液體中距液固界面越遠(yuǎn)，溫度越低） 粗糙界面：樹(shù)枝狀。 光滑界面：樹(shù)枝狀多面體臺(tái)階狀。第二十八張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月小結(jié)：晶體長(zhǎng)大的要點(diǎn)1、具有粗糙固液界面的金屬，其成長(zhǎng)機(jī)理為在固相界面上各點(diǎn)呈垂直式凝聚態(tài)原子而成長(zhǎng)，界面的動(dòng)態(tài)過(guò)度很小 （約為0.010.

11、050C )，成長(zhǎng)速率很快。2、具有平滑界面的晶體，其成長(zhǎng)機(jī)理可能有兩種方式：a.如果是在晶體學(xué)完整的界面上成長(zhǎng)，則需要生長(zhǎng)在晶面上形成二維晶核，再在側(cè)面進(jìn)行臺(tái)階式成長(zhǎng)，如此反復(fù)進(jìn)行。b.如果界面上存在螺型臺(tái)階或?qū)\晶臺(tái)階，成長(zhǎng)則連續(xù)地按臺(tái)階式進(jìn)行，界面動(dòng)態(tài)過(guò)冷度較大（約為120C 。3.晶體成長(zhǎng)的界面形態(tài)主要決定于界面前沿液體中的溫度梯度。在正溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，兩種界面結(jié)構(gòu)均成平直界面；在負(fù)溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，一般金屬的界面都呈樹(shù)枝狀，只有那些 值較高的物質(zhì)仍保持平直界面形狀。 第二十九張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 6. 5凝固理論的應(yīng)用本節(jié)主要講授內(nèi)容：1)晶粒大小的控制2)凝固

12、理論的應(yīng)用第三十張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、晶粒大小的控制1）控制T3）振動(dòng)、攪拌2）變質(zhì)處理第三十一張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、凝固理論的應(yīng)用單晶體的制備定向凝固技術(shù)非晶態(tài)金屬微晶合金第三十二張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月知識(shí)體系：本章小結(jié)第三十三張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)晶規(guī)律： 形核及長(zhǎng)大熱力學(xué)條件：Gs GL 或 G = Gs - GL 0形核規(guī)律： 分析G r 曲線， 求r* 、G* 、它們的意義。長(zhǎng)大方式：平面長(zhǎng)大枝晶長(zhǎng)大 及長(zhǎng)大的條件細(xì)化晶粒的途徑：T， 變質(zhì)處理， 振動(dòng)、攪拌。第三十四張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月重點(diǎn)：結(jié)晶的熱力學(xué)條件。形核形核和不均勻形核：形核時(shí)的能量變化，臨界晶核半徑，形核功。長(zhǎng)大：固液界面的微觀結(jié)構(gòu)，晶體長(zhǎng)大機(jī)制，晶體生長(zhǎng)形態(tài)。細(xì)化晶粒的途徑難點(diǎn)：不均勻形核第三十五張，PPT共三十八頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月重要概念與名詞（20）： 凝固，結(jié)晶，近程有序，結(jié)構(gòu)起伏，能量起伏，過(guò)冷現(xiàn)象過(guò)冷度，均勻形核，非均勻形核，晶胚，晶核，臨界晶粒，臨界形核功，光滑界面