第二 結晶的基本概晶核形成規律★晶核長大規律金屬鑄錠的組織與缺陷結晶理論的拓展與應2.12.1液晶--固體（或非晶體結：液態物質轉變為固態晶體的過程。結晶是鑄錠、鑄件、金屬焊接生產的主要過程是材料 的最主要工藝。 氣體、固氣體、固體、液體和非晶態材料的雙體分布函準晶體模型：接近原子的排列方式與固體金屬相似，有許多晶態小，稱為晶胚。非晶體模型：液體金屬中的原子相當于紊亂高致密區－－晶胚。 結構起伏(structurefluctuation)，或相起伏。但是，并不是所有的晶胚都能轉變成晶核形核+長Nucleation+一般T↑，結晶速度↑。過冷現象溫的現象 稱ΔT為過冷金屬純度↑ΔT↑，冷卻速度2液體和晶體自由能隨溫液體和晶體自由能隨溫dGSSLSSGL=GS時，Tm稱平

HL

TSL

(HS

TSSHL

HS

T(SL

SS)

T

0,

TmSS

HmT

S變化小，認為是常VG LSmTTmHmTmorSupercooling)度,晶核的形成分為均勻形核和非均勻形核形核率(nucleationratio):單位時間內,單位體積液體金屬中形成的晶核數N.單位為生長率(growthratio):單位時間內,晶核增長晶粒(crystalgrain):各晶核長大至互相接觸homogeneous T

液相固相，G

動晶胚形成新的表面產結晶GV：晶：單位面積表面能；S：晶假設晶胚為球形，半G

4

4r 4

為結晶驅動力r3成正 4r2為結晶阻力r2成正臨界晶V求rkVd(G)

8r

2

23(GV2臨界過

T

不能形T

可能形T

易于形△Tk為臨界過冷度，約為

211

1623(GV2

3Sk△Gk為形核均勻形e-e-e-

N內容回

稱rk為：

2

1623(GV2

16213(GV21

3Sk△Gk為形核均勻形non-homogeneous創造了條件。擇優位置形核的過程就是非均勻形核非均勻形核比均勻形核過冷度小得多非均勻形核的臨界晶核尺寸及形核G

V1r33

cos3

L

S1

S2

33

LcosG

23cosL4L4

cos3r

VLmm VLmm16

23coscos

3(G)2

均勻 r' r'kG'k

非均勻形核的形

核核影響非均勻形核的過冷

固體雜質結cos

Lσαβ越小時σLβ就越接近σαL，cosθ值越實驗結果表明：只有那些與晶核的相似，點陣常數相近非均勻形核。可減少固體雜質與晶核之間非面能，從而減少θ角以減

G*W為扁平六方結構，A面心結構的晶面與六方結構的(0001)晶面的原子排列情況完全相同，而且Au與W,Au：a＝0.2884nm,實驗證明這種條件在某些場合不適用A結晶時，加入與A結構不同的W大大促進形核，而加入相似的W反而不促進形核Sn也是如此Till提出一種靜電作用理論，認為表面能中有一項恒為負值的靜電能γ。碳化物的γe大，導電性能好，使基底與晶核表面能減少，促進形核。依附基底的表面曲率液態金屬過對非均勻形核有很大影響，過熱度大，質點的表面狀態改變或質點減少，凹曲面變成平面，凹坑裂縫中金屬熔化，促進非均勻形核的作用，稱為活性去除。施加強電場或強

物理機械增kr'k

3cos

cos3

G均勻 4 4r' r'kG'k

晶核長大規律宏觀：固相增大，液相減小LULLULLmL-SSS液-平滑界面(smooth觀是由若干曲折面面界面粗糙界面(rough稱為非面界面，a.因子 故α≤2晶核長大機二維晶核長大機純金屬的生長形(在固液界面上實際上存在著兩種溫度梯度dtdtdt

平面長大(正溫度梯度 枝晶長大(負溫度梯度 B均勻推移，平面形態，界面與Tm等溫面幾乎重合。 通過液相的熱傳導與對流散熱，熱流方與凝固方向相同

負溫 冰 枝晶粗大等軸樹枝 α— 因負溫度梯度下：界面一般呈樹枝a.b.c.ababc粗糙界面垂直生長機制中的的幾率大，結晶潛熱小，生長速度高。通常實際測定Vg=10-生長的晶體是表面光滑晶平滑面二維晶核臺階生長機制晶體棱角分明，呈多面平滑界面螺型位錯臺階生長機制μ3是常數平滑界面生長，動態過冷度約為1-2℃。ABABBABABBGG

伸長率晶粒大小直徑表示。10mm鑄鐵模具穿晶，柱狀晶

10mm鑄鐵模具10mm鑄鐵模具 3mm鑄鐵模具 如向鋁中加入T，V，，W，MoC，向鋼中加入i，BAl10mm鑄鐵模具

10mm鑄鐵模+700℃+加入金屬或合 變質 奧氏體 ,氮化 鋁硼納系鹽銅合 鐵或鐵合鑄鐵變質處理前后的變質處

變質處細細晶(上普通鑄件(下長大機制：3種機生長形態：正、負溫度金屬鑄錠組 a形成機生過冷而形成的。非均勻形核，那些仍然各晶區的特點柱狀晶接觸面及柱狀晶粒界面常常雜質、非 質的分配系數k0如小于1，k0愈小（或k0>1，則k0愈受組織控 純銅鑄 金屬鑄錠中的缺鑄 的宏觀組織及宏觀缺物理不均性：縮孔、疏松、氣泡、裂化學不均性：宏觀偏析、顯微偏 OMgAlCaFeSpectrumSpectrum定向凝固(orientated定向凝固目的通過單向散熱，使鑄件從一端開始凝固，從枝晶間距小。下降功率 快速逐步凝固定向凝固技術應用柱狀晶渦輪葉片——柱狀晶方向 (preparationofmonocrystal)如硅單晶，鍺單晶，一般晶核是外有垂直提拉法和尖端形核法兩 方法垂直