-凝固与结晶.pptx
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1、第四章第四章 凝固与结晶凝固与结晶晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程形核形核晶体的生长晶体的生长凝固体的结构凝固体的结构Part I 凝固与结晶的一般规律第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程1 1、凝固与结晶、凝固与结晶 引子:自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且引子:自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且在一定的条件下,它们可以发生互相转变。在一定的条件下,它们可以发生互相转变。凝固凝固:一切物质从液态到固态的转变过程的统称。:一切物质从液态到固态的转变过程的统称。结晶结晶:晶体的形成形成过程。:晶体的形成形成过程。凝结蒸发凝固熔化凝华升华晶体的形成
2、过程包括,原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。意义意义:材料中使用较广泛的有金属材料,金属材料绝大多数用:材料中使用较广泛的有金属材料,金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来,即首先得到的是液态,经过冷却后才冶炼来方法生产出来,即首先得到的是液态,经过冷却后才得到固态,固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过得到固态,固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关,从而也影响材料的性能。程有关,从而也影响材料的性能。一、概述一、概述2 2、凝固状态的影响因素、凝固状态的影响因素 第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程引子:固体状态下原子的排列
3、方式有无规则排列的非晶态,也可引子:固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态,也可以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。1.1.物质的本质物质的本质:原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。:原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低,而低温下按特定方温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低,而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。2.2.熔融液体的粘度熔融液体的粘度:粘度表征流体中发生相对运动的阻力,随温:粘度表征流体中发生相对运动的
4、阻力,随温度降低,粘度不断增加,在到达结晶转变温度前,粘度增加到度降低,粘度不断增加,在到达结晶转变温度前,粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时,即可以保持固定的形状,能阻止在重力作用物质发生流动时,即可以保持固定的形状,这时物质已经凝固,不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。这时物质已经凝固,不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。3.3.熔融液体的冷却速度:熔融液体的冷却速度:冷却速度快,到达结晶温度原子来不及冷却速度快,到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度,最终到室温时难以重组合成晶体,重新排列就降到更低温度,最终到室温时难以重组合成晶体,可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到
5、可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到10106 6/s/s才能才能获得非晶态。获得非晶态。在一般生产过程的冷却条件下,金属材料凝固为晶体,这时的凝在一般生产过程的冷却条件下,金属材料凝固为晶体,这时的凝固过程也是结晶过程。固过程也是结晶过程。二、二、结晶的热力学条件结晶的热力学条件 第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程 结晶过程不是在任何情况下都能结晶过程不是在任何情况下都能自动发生。自然界的一切自发转变过自动发生。自然界的一切自发转变过程总是向着自由能降低的方向进行。程总是向着自由能降低的方向进行。在单一的组元情况下:在单一的组元情况下:在恒压下,在恒压下,dp=0dp=
6、0,因此,因此 其中其中S S为熵,为正值;为熵,为正值;CpCp为等压热容量,也是一正值。因此吉布为等压热容量,也是一正值。因此吉布斯自由能斯自由能G G和温度和温度T T的曲线总是凹向下的下降形式。的曲线总是凹向下的下降形式。二、二、结晶的热力学条件结晶的热力学条件 第一节晶体形成的一般过程第一节晶体形成的一般过程 因为液体的熵值恒大于固体的熵,因为液体的熵值恒大于固体的熵,所以液体的曲线下降的趋势更陡,两所以液体的曲线下降的趋势更陡,两曲线相交处的温度曲线相交处的温度T Tm m,当温度,当温度T=TT=Tm m时时,液相和固相的自由能相等,处于平,液相和固相的自由能相等,处于平衡共存,
7、所以称衡共存,所以称T Tm m为临界点,也就是为临界点,也就是理论凝固温度。当理论凝固温度。当T TT TT Tm m时,从固体向液体的转变使时,从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发吉布斯自由能下降,是自发过程,发生熔化过程。生熔化过程。所以结晶过程的热力学条件就是所以结晶过程的热力学条件就是温度在理论熔点以下。温度在理论熔点以下。三、三、结晶的潜热结晶的潜热 第一节晶体形成的一般过程第一节晶体形成的一般过程在在T=TmT=Tm时:时:从液体转变为固体,此时有从液体转变为固体,此时有是一放热过程,放出的这部分是一放热过程,放出的这部分热量称为热量称为结晶潜热结晶潜热。四、结晶
8、时的过冷现象四、结晶时的过冷现象第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程冷却曲线冷却曲线:材料在冷却过程中,由:材料在冷却过程中,由于存在热容量,并且从液态变为固于存在热容量,并且从液态变为固态还要放出结晶潜热,利用热分析态还要放出结晶潜热,利用热分析装置,处在较慢的固定的散热方式,装置,处在较慢的固定的散热方式,并将温度随时间变化记录下来,所并将温度随时间变化记录下来,所得的曲线冷却曲线,纯金属的冷却得的曲线冷却曲线,纯金属的冷却曲线如图示。曲线如图示。过冷现象过冷现象:熔体材料冷却到理论结晶温度以下,并不是立即就形:熔体材料冷却到理论结晶温度以下,并不是立即就形成晶体,材料处在应
9、该转变的理论温度以下,还保留原来状态,成晶体,材料处在应该转变的理论温度以下,还保留原来状态,这种现象称为过冷。这种现象称为过冷。过冷度过冷度:为了表述材料过冷的程度,将理论转变温度与实际所处:为了表述材料过冷的程度,将理论转变温度与实际所处在的温度之差称为过冷度在的温度之差称为过冷度。T=Tm T五、结晶的一般过程五、结晶的一般过程 第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程温度变化规律温度变化规律:材料的熔体在熔点以上不断材料的熔体在熔点以上不断散热,温度不断下降,到理论结散热,温度不断下降,到理论结晶温度并不是马上变成固态的晶晶温度并不是马上变成固态的晶体,继续降温而出现过冷。过
10、冷体,继续降温而出现过冷。过冷到某一程度开始结晶,放出结晶到某一程度开始结晶,放出结晶潜热,可能会使其温度回升。到潜热,可能会使其温度回升。到略低于熔点的温度时,放出的热略低于熔点的温度时,放出的热量和散热可达到平衡,这时处于量和散热可达到平衡,这时处于固定温度,在冷却曲线上出现平固定温度,在冷却曲线上出现平台。结晶过程完成,没有潜热的台。结晶过程完成,没有潜热的补充,温度将重新不断下降,直补充,温度将重新不断下降,直到室温。到室温。五、结晶的一般过程五、结晶的一般过程 第一节第一节 晶体形成的一般过程晶体形成的一般过程组织的变化组织的变化:在一定的过冷度下,在液态的熔体内首先有细小的:在一定
11、的过冷度下,在液态的熔体内首先有细小的晶体生成,这个过程称为晶体生成,这个过程称为形核形核。随后已形成的晶核不断的。随后已形成的晶核不断的长大长大,同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的同时在未转变的液体中伴随新的核心的形成。生长过程到相邻的晶体互相接触,直到液体全部转变完毕。晶体互相接触,直到液体全部转变完毕。每个成长的晶体就是一每个成长的晶体就是一个晶粒,它们的接触分界面就形成晶界。个晶粒,它们的接触分界面就形成晶界。第二节第二节 形核形核一、自发形核一、自发形核 在一定的过冷度下,液体中若出在一定的过冷度下,液体中若出现一固态的晶体,该区域的能量将发现一固态的晶体,该区
12、域的能量将发生变化,一方面一定体积的液体转变生变化,一方面一定体积的液体转变为固体,体积自由能会下降,另一方为固体,体积自由能会下降,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,因此总的吉布斯自由能变化自由能,因此总的吉布斯自由能变化量为:量为:其中其中G GV V为单位体积内固液吉布斯自由能之差,为单位体积内固液吉布斯自由能之差,V V为晶体的体为晶体的体积,积,为界面能,为界面能,A A为界面的面积。一为界面的面积。一个细小的晶体出现后,个细小的晶体出现后,是否能长大,决定于在晶体的体积增加时,其自由能是否为下是否能长大,决定于在晶体的体积增加时,其自由能是否
13、为下降。降。存在过冷的液体,依靠自身的原子运动可能形成晶核存在过冷的液体,依靠自身的原子运动可能形成晶核,这种方式称为这种方式称为自发形核自发形核。1.能量变化能量变化一、自发形核一、自发形核第二节第二节 形核形核在一定过冷度下,在一定过冷度下,GGV V为负值,而为负值,而恒恒为正值。可见晶体总是希望有最大的体为正值。可见晶体总是希望有最大的体积和最小的界面积。设积和最小的界面积。设GGV V和和为常数,为常数,最有利的形状为球。设球的半径为最有利的形状为球。设球的半径为r r,有:有:这里这里r rc c称为临界尺寸,当细小晶体的半径大于临界尺寸,晶体称为临界尺寸,当细小晶体的半径大于临界
14、尺寸,晶体长大时吉布斯自由能下降,这种可以长大的小晶体称为晶核。长大时吉布斯自由能下降,这种可以长大的小晶体称为晶核。如果它的半径小于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能将上升,如果它的半径小于临界尺寸,晶体长大时吉布斯自由能将上升,自发过程为不断减小到消失。自发过程为不断减小到消失。2.临界大小临界大小一、自发形核一、自发形核第二节第二节 形核形核 熔体的温度在熔点附近时,尽管处在液态,即总体的排列熔体的温度在熔点附近时,尽管处在液态,即总体的排列是无序的,但局部的小区域并非静止不动的,原子的运动可造是无序的,但局部的小区域并非静止不动的,原子的运动可造成局部能量在不断变化,其瞬间能量在平均值的
15、上下波动,对成局部能量在不断变化,其瞬间能量在平均值的上下波动,对应的结构应的结构(原子排列原子排列)在变化,小范围可瞬间为接近晶体的排列,在变化,小范围可瞬间为接近晶体的排列,其范围大小对应的能量于平均能量之差其范围大小对应的能量于平均能量之差GG如上所述,这就称为如上所述,这就称为“能量起伏能量起伏”和和“结构起伏结构起伏”。对于过冷液体,出现对于过冷液体,出现GG大小差别的几率正比大小差别的几率正比于于 小于临界尺寸的小于临界尺寸的(也称为晶胚也称为晶胚)下一步减小到消失,大于临界尺下一步减小到消失,大于临界尺寸的可能不断长大,也就是晶核。等于临界尺寸大小的晶核高寸的可能不断长大,也就是
16、晶核。等于临界尺寸大小的晶核高出平均能量的那部分称为出平均能量的那部分称为“形核功形核功”。过冷度愈小,固过冷度愈小,固液自由能差也小,临界尺寸大,形核功液自由能差也小,临界尺寸大,形核功也高,出现的几率也小。太小的过冷度在有限的时空范围内不也高,出现的几率也小。太小的过冷度在有限的时空范围内不能形核,即形核要求有基本的过冷度。能形核,即形核要求有基本的过冷度。3.3.晶核的来源晶核的来源二、形核率二、形核率第二节第二节 形核形核形核率形核率(N)(N):单位时间在单位母体(液体)的体积内晶核的形成:单位时间在单位母体(液体)的体积内晶核的形成数目称为形核率。数目称为形核率。过冷度对形核率的影
17、响过冷度对形核率的影响 形核率决定于体系中出现结构达到临界尺寸的几率,也受原子形核率决定于体系中出现结构达到临界尺寸的几率,也受原子活动或迁移能力的影响。活动或迁移能力的影响。三、非自发形核三、非自发形核 第二节第二节 形核形核 如果形核不是在液体内部,如果形核不是在液体内部,如附着在某些已存在的固体如附着在某些已存在的固体(液液体中存在的未熔高熔点杂质体中存在的未熔高熔点杂质),例如在固体上形成球冠形,这时例如在固体上形成球冠形,这时可以利用附着区原液体和杂质的可以利用附着区原液体和杂质的界面能,特别是核心和杂质间可界面能,特别是核心和杂质间可能有小的界面能。能有小的界面能。这种依附在某这种
18、依附在某些已有的固体上形核称之为非些已有的固体上形核称之为非自自发形核。发形核。1.能量变化能量变化G=G=Gv*V+(Gv*V+(LSLS*A*ALSLS+SBSB*A*ASBSB-LBLB*A*ASBSB)三、非自发形核三、非自发形核 第二节第二节 形核形核1.能量变化能量变化2.作用效果作用效果1)过冷度过冷度 自发形核与非自发形核的临界半径相同,随着过冷自发形核与非自发形核的临界半径相同,随着过冷度的增加临界半径减小,形核率将明显上升。度的增加临界半径减小,形核率将明显上升。三、非自发形核三、非自发形核 第二节第二节 形核形核2.作用效果作用效果2)2)基底性质基底性质 若若LBLB大
19、于或等于(大于或等于(LSLSSBSB),则),则=0=0。说明不用形核,即可直接以基体为心形核。说明不用形核,即可直接以基体为心形核。若(若(LBLBLSLS)小于或等于)小于或等于SBSB,则,则=180=180。说明基底对形核无效果,即不能在基底上形核。说明基底对形核无效果,即不能在基底上形核。一般情况下一般情况下00180180。比较小的,成为活性固体,对形比较小的,成为活性固体,对形核的促进作用较大。核的促进作用较大。SBSB愈小,愈小,愈小,促进作用愈大。愈小,促进作用愈大。3)3)基底形状基底形状 凹面更有利形核凹面更有利形核 晶核往往在模壁底裂缝或小孔晶核往往在模壁底裂缝或小孔
20、处先出现。处先出现。总之,非均匀晶核有利的降低总之,非均匀晶核有利的降低临界过冷度,大大提高形核率。临界过冷度,大大提高形核率。第三节第三节 晶核的长大晶核的长大 一、长大条件一、长大条件 从热力学分析可知,要使系统的自由能下降,在液从热力学分析可知,要使系统的自由能下降,在液固界固界面附近的部分液体转变为固体,依然要求在界面附近要存在过冷面附近的部分液体转变为固体,依然要求在界面附近要存在过冷度,前面冷却曲线上平台和理论结晶温度之差就是长大所要求的度,前面冷却曲线上平台和理论结晶温度之差就是长大所要求的过冷度,也称为过冷度,也称为“动态过冷度动态过冷度”。金属材料的动态过冷度很小,仅金属材料
21、的动态过冷度很小,仅0.010.010.050.05,而非金属材,而非金属材料的动态过冷度就大得多。若液料的动态过冷度就大得多。若液固界面处于平衡,则界面的温固界面处于平衡,则界面的温度应该为理论结晶温度度应该为理论结晶温度。二、长大速度二、长大速度 凝固过程中,晶体在不断长大,界面在单位时间向前推移的凝固过程中,晶体在不断长大,界面在单位时间向前推移的垂直距离称为长大线速度。垂直距离称为长大线速度。三、三、正温度梯度下晶体的长大正温度梯度下晶体的长大第三节第三节 晶核的长大晶核的长大 正温度梯度是指液正温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随到界面的距固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升
22、高,这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体离的增加而升高,这时结晶过程的潜热只能通过已凝固的固体向外散失。向外散失。平衡时界面的温度为理论结晶温度,平衡时界面的温度为理论结晶温度,液体的温度高于理论结晶温度。当通过液体的温度高于理论结晶温度。当通过已凝固的固体散失热量时,达到动态过已凝固的固体散失热量时,达到动态过冷的部分液体转变为固体,界面向前推冷的部分液体转变为固体,界面向前推移,到达理论结晶温度处,生长过程将移,到达理论结晶温度处,生长过程将停止。所以这时界面的形状决定于散热,停止。所以这时界面的形状决定于散热,实际上为理论结晶温度的等温面。在小实际上为理论结晶温度的等温面。在小的区域内
23、界面为平面,局部的不平衡带的区域内界面为平面,局部的不平衡带来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生来的小凸起因前沿的温度较高而放慢生长速度,因此可理解为齐步走,称为长速度,因此可理解为齐步走,称为平平面推进方式生长面推进方式生长。四、四、负温度梯度下晶体的长大负温度梯度下晶体的长大 负温度梯度是指液负温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随到界面的距离固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而降低,这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体的增加而降低,这时结晶过程的潜热不仅可通过已凝固的固体向外散失,而且还可向低温的液体中传递。向外散失,而且还可向低温的液体中传递。在小的区域内若为平面,局在小的区域内
24、若为平面,局部的不平衡可带来某些小凸起,部的不平衡可带来某些小凸起,因前沿的温度较低而有利生长,因前沿的温度较低而有利生长,因而凸起的生长速度将大于平均因而凸起的生长速度将大于平均速度,凸起迅速向前发展,可理速度,凸起迅速向前发展,可理解赛跑的竞争机制,在凸起上可解赛跑的竞争机制,在凸起上可能再有凸起,如此发展而表现为能再有凸起,如此发展而表现为数枝晶的方式长大。枝晶间的空数枝晶的方式长大。枝晶间的空隙最后填充,依然得到一完整的隙最后填充,依然得到一完整的晶体。晶体。第三节第三节 晶核的长大晶核的长大四、四、负温度梯度下晶体的长大负温度梯度下晶体的长大第三节第三节 晶核的长大晶核的长大关于树枝
25、晶关于树枝晶:按树枝方式生长的晶体称为树枝晶,先凝固的称为按树枝方式生长的晶体称为树枝晶,先凝固的称为主干,随后是分支,再分支。值得指出的是:主干,随后是分支,再分支。值得指出的是:纯净的材料结晶纯净的材料结晶完毕见不到树枝晶,但凝固过程中一般体积收缩,树枝之间若得完毕见不到树枝晶,但凝固过程中一般体积收缩,树枝之间若得不到充分的液体补充,树枝晶可保留下来;不到充分的液体补充,树枝晶可保留下来;生长中晶体分支生长中晶体分支受液体流动、温差、重力等影响,同方向的分支可能出现小的角受液体流动、温差、重力等影响,同方向的分支可能出现小的角度差,互相结合时会留下位错;度差,互相结合时会留下位错;或材料
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