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晶体-形核.ppt
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1、第四章第四章 晶体生长晶体生长4-0 形核驱动力形核驱动力4-1 凝固过冷度凝固过冷度4-2 固液界面的微观结构固液界面的微观结构4-3 晶体生长方式晶体生长方式4-4 晶体生长方法晶体生长方法参考文献参考文献 作业题作业题液相自由能液相自由能GGL L速率变化大速率变化大由由于于结结构构高高度度紊紊乱乱的的液液相相具具有有更更高高的的熵熵值值,液液相相自自由由能能G GL L将将以以更更大大的的速速率率随随着着温温度度的的升高而下降升高而下降。晶体结构高度有序、内能更低晶体结构高度有序、内能更低在在低低温温下下固固相相自自由由能能G GS S低低于于液液相相自自由由能能G GL L,并于某一
2、温度,并于某一温度T T0 0处两者相交。处两者相交。T T0 0即为纯金属的平衡结晶温度即为纯金属的平衡结晶温度;当当T TT T0 0时时,G GL LG GS S,固固、液液两两相相处处于于热力学平衡状态。热力学平衡状态。只有当只有当T T GGS S,结晶才可能自发进行。,结晶才可能自发进行。过冷度:过冷度:T TT T0 0T T0 0o oC C水能结冰吗?水能结冰吗?当当T 2 多种形核能力不同的衬底物质存在时多种形核能力不同的衬底物质存在时,液态金属的形核率应当是这几种物质所具有的形液态金属的形核率应当是这几种物质所具有的形核率的总和。核率的总和。此时,过冷度有双重作用,过冷度
3、越大:此时,过冷度有双重作用,过冷度越大:参加非均匀形核的衬底物质就越多参加非均匀形核的衬底物质就越多同一种衬底物质促进非均匀形核能力也越强同一种衬底物质促进非均匀形核能力也越强总形核率越大总形核率越大形核过程控制形核过程控制 促进促进形核形核 抑制抑制形核形核 选择选择形核形核 4-1-3 4-1-3 形核控制形核控制形核规律研究形核规律研究控制控制形核形核凝固组织控制凝固组织控制(1(1)促)促进形核形核目的:目的:细化细化 手段:提高形核速率手段:提高形核速率常用常用控制形核方法控制形核方法增大冷却速率,在大的过冷度下形核增大冷却速率,在大的过冷度下形核利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形
4、成的晶粒脱落;利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落;采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成的树枝采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成的树枝状晶粒破碎,获得大量的结晶核心,最终形成细小的等轴晶组状晶粒破碎,获得大量的结晶核心,最终形成细小的等轴晶组织。织。添加晶粒细化剂,促进异质形核;添加晶粒细化剂,促进异质形核;4-1-3 4-1-3 形核控制形核控制关键问题关键问题:如何选择如何选择合适的形核剂合适的形核剂。在液态金属中尽可能保持稳定在液态金属中尽可能保持稳定具有最大的表面积和最佳的表面特性具有最大的表面积和最佳的表面特性(如表面粗糙或如表面粗糙或有凹坑等有凹
5、坑等)保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小的润湿角形核剂形核剂在液态金属中加入形核剂以促进非均匀形核。从而达到细化晶粒、在液态金属中加入形核剂以促进非均匀形核。从而达到细化晶粒、改善性能的目的。改善性能的目的。促进非均匀形核的衬底物质可以是形核剂本身,也可以是它与液态促进非均匀形核的衬底物质可以是形核剂本身,也可以是它与液态金属的反应产物金属的反应产物。润湿角润湿角是由结晶相、液相和固相之间的界面能所确定是由结晶相、液相和固相之间的界面能所确定 若不考虑温度的影响,对给定金属而言,若不考虑温度的影响,对给定金属而言,LC是一定值;在一是一定值;在一般情况
6、下,般情况下,LS与与LC的值也相近,的值也相近,故故润湿角润湿角 主要取决于主要取决于 CSCS的大小的大小。CS越小,衬越小,衬底的非均匀形核能力就越强。底的非均匀形核能力就越强。CSCS何时小?何时小?界面共格对应条件:界面共格对应条件:只有当衬底物质的某一个晶面与只有当衬底物质的某一个晶面与结晶相的某一个晶面上的原子排列结晶相的某一个晶面上的原子排列方式相似,而其原子间距相近或在方式相似,而其原子间距相近或在一定范围内成比例时,才能实现界一定范围内成比例时,才能实现界面共格对应。面共格对应。界面共格对应界面共格对应 界面共格对应理论认为,在非均匀界面共格对应理论认为,在非均匀形核过程中
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