第二章純金屬的結晶結晶:金屬由液態轉變為固態的過程叫凝固,由于凝固后的固態金屬一般是晶體,所以這一轉變過程也叫結晶.2.1金屬結晶的現象結晶過程的宏觀現象(一)過冷現象過冷度:金屬的實際結晶溫度Tn(熔點)與理論結晶溫度Tm之差(T).T=Tm-Tn

過冷度影響因素:金屬的本性和純度,冷卻速度.(二)結晶潛熱相變潛熱:一摩爾物質從一個相轉變為另一個相時,伴隨著放出或吸收的熱量.熔化潛熱:金屬熔化時,從固相轉化為液相放出的熱量.結晶潛熱:金屬結晶時,從液相轉化為固相放出的熱量.二.結晶過程的微觀過程結晶過程:孕育期-----晶核形成------晶核長大.問題:1.液態金屬能否在理論結晶溫度下結晶??2.過冷度在金屬結晶過程中起什么作用??2.2金屬結晶的熱力學條件液固相的自由能差,就是轉變的驅動力:熱力學第二定律:在等溫等壓條件下,物質系統總是自發第從自由能較高的狀態向自由能較低的狀態轉變.當T<Tm時,Gv=LmT/TmTm理論結晶溫度;Lm熔化潛熱.過冷度T越大,相變驅動力越大.Gv單位體積自由能變化;Gs固態金屬自由能;GL液態金屬自由能.2.3金屬結晶的結構條件:結構起伏(相起伏)結晶:大的過冷度------尺寸較大的相起伏(晶胚)--------晶核形成------晶核長大.近程有序:液體中的小范圍內,存在著緊密接觸規則排列的原子集團,但是在大范圍內原子卻是無序排列的.遠程有序:在晶體中,大范圍內的原子呈有序排列.結構起伏(相起伏):在液態金屬中,近程有序的原子集團處于瞬間出現,瞬間消失,此起彼伏,變換不定的狀態中,仿佛在液態金屬中不斷涌現一些極其微小的固態結構一樣,這種不斷變化的近程有序原子集團,叫…2.4晶核的形成一.均勻形核(均質形核或自發形核)自由能變化:既:臨界晶核半徑既:形核方式:均勻形核:液相中各個區域出現新相晶核的幾率相同.非均勻形核:新相優先出現于液相中的某些區域.(一)形核時的能量變化G和臨界晶核半徑rKV:晶胚的體積;S:表面積;GV;液固兩相單位體積自由能差;S:單位面積的表面能.T:過冷度;Tm理論結晶溫度;Lm熔化潛熱.

當r<rK時,隨晶胚尺寸增大,自由能增加,晶胚瞬間消失,不能變成晶核.當r>rK時,隨晶胚尺寸增大,自由能降低,晶胚比較容易形成晶核.當r=rK時,晶胚可能消失,也可能長大形成晶核.過冷度T越大,臨界形核半徑rK越小.最大相起伏(晶胚)尺寸rmax越大.當T>TK時,rmax>rK,尺寸較大的晶胚能夠形成晶核.(二)形核功能量起伏:在一定溫度下,系統有一定的自由能,這是指宏觀平均能量.但是在微區各處的能量此起彼伏,變化不定.微區能量偏離平衡能量的現象,叫…形核功:形成臨界晶核時,體積自由能的下降只補償了表面能的2/3,還有1/3的表面能需要另外供給,既需要對形核作功,這部分功叫….形核功與過冷度的關系:過冷度增大,臨界形核功顯著降低,結晶過程容易進行.晶核形成=過冷液體中的相起伏+能量起伏(三)形核率形核率的影響因素:形核功;擴散.二.非均勻形核(異質形核或非自發形核)(一)臨界晶核半徑和形核功體系自由能變化:臨界晶核半徑:形核功:=0,GK’=0.不需要形核功,液體中的固體相質點就是現成的晶核,可以在上面直接結晶長大.=180o,GK’=GK.均勻形核與非均勻形核所需要的能量起伏相同.0<<180o,GK’<GK.越小,非均勻形核越容易,需要的過冷度也越小.(二)形核率1.過冷度的影響2.固體雜質結構的影響3.固體雜質形貌的影響4.過熱度的影響5.其他因素的影響小節:金屬形核的要點液態金屬的結晶必須在過冷的液體中進行,液態金屬的過冷度必須大于臨界過冷度,晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑rK.前者提供形核的驅動力,后者是形核的熱力學要求.2.rK值大小與晶核的表面能成正比,與過冷度成反比。過冷度越大，則rK值越小，形核率越大，但是形核屢有一個極大值。如果表面能越大，形核所需要的過冷度也應越大，因此，能夠降低表面能的辦法都能夠促進形核。均勻形核需要結構起伏，也需要能量起伏，二者都是液體本身存在的自然現象。晶核的形成過程是原子的擴散遷移過程，因此結晶必須在一定的溫度下進行。在工業生產中，液體金屬的凝固總是以非均勻形核的方式進行的。

2.5晶核長大一.固液界面的微觀結構(一)光滑界面：顯微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。(二)粗糙界面：顯微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。二.晶體長大機制(一)二維晶核長大機制(二)螺型位錯長大機制(三)垂直長大機制三.固液界面前沿液體中的溫度梯度(一)正溫度梯度:結晶潛熱通過已結晶的固相和型壁散失(二)負溫度梯度:結晶潛熱通過結晶的固相和型壁,還有液體散失四.晶體生長的界面形狀---晶體形態(一)正溫度梯度下結晶潛熱通過已結晶的固相和型壁散失,相界面向液相中的推移速度受散熱速率的控制.液固界面基本呈平直狀.光滑界面:小晶面互成一定角度,呈鋸齒狀.粗糙界面:平行于等溫面的平直界面.(二)負溫度梯度下晶界的移動不受已結晶的固相和型壁的散熱控制.樹枝晶:液態金屬在結晶中各個方向上發展不同,而形成的樹枝狀晶體.等軸晶:如果枝晶在三維空間得到均衡發展,各個方向上的一次軸近似相等,這樣形成的晶粒,叫.柱狀晶:如果枝晶在一個方向上的一次軸長得很長,而在其他方向上受到阻礙,而形成的細長晶粒.五.長大速度長大速度與過冷度關系非金屬當過冷度小時，液固兩相自由能差小，結晶的驅動力小，晶體的長大速度小。當過冷度大時，溫度過低，原子的擴散困難，晶體的長大速度小。金屬結晶溫度高，形核與長大都快，它的過冷能力小，所以未到過冷到較低溫度時，結晶已經結束了。六.晶粒大小的控制

晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面積或直徑表示。晶粒大小的影響因素：形核率和長大速度。晶粒的大小取決于形核率N與長大速度G