第三章 液态金属的结晶_图文

发布于:2021-05-12 00:56:31

第三章 液态金属的结晶

导入案例
高温合金叶片

熔模铸造,定向凝固

镍基高温合金的枝晶组织

3.1 液态金属结晶的热力学条件和结晶过程

液态金属转变成晶体的过程称之为液态 金属的结晶或金属的一次结晶。 一、 液态金属结晶的热力学条件 二、 液态金属的结晶过程
对铸件组织性能的影响? “二次结晶”的概念?

一、 液态金属结晶的热力学条件
结晶是体系自由能降低的自发过程(结晶的驱动力): 系统自由能G、熵S、温度T、体积V及环境压力p满足:

分析理由?

注意:不是一定能自发进行!

根据吉布斯自由能定义:G=H-TS

结晶潜热

对特定金属,L、T0为定值,所以ΔT越大,结晶的相变驱动力越大, 即过冷度决定了相变驱动力的大小。

二、 液态金属的结晶过程

金属原子在结晶过程中 自由能的变化 方式: 形核→长大 两个能障: 热力学能障(控制形 核) 动力学能障(控制生 长) 克服:三种“起伏”
固液界面所形成 的能量* (动力学*

3.2 液态金属的形核

一、 均质形核
1. 临界形核半径
假设晶胚为球体(半径为 ),则系统自由能 的表达 式

2. 临界形核功

体积自由能下降补偿2/3晶核表面自由能的增量,另1/3需要 外部做功(临界形核功),这部分能量从哪里来?

3. 形核率
定义 形核率受到两个方面的制约,即形核功和原子扩散能力

二、 非均质形核

非均质形核是指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型 壁界面提供的衬底进行形核的过程,也称为异质形核或 非自发形核.

1. 非均质形核的临界半径、形核功、形核率

注:与均质形核的临界半径表达式相同

润湿角小,所需过冷度减小

随着过冷度的增加形核率增大, 衬底用完终止形核

2. 润湿角对非均质形核的影响

均质与非均质形核的临界形核半径表达式相同,但球冠状晶核所包含的原子数 远小于同半径的球状晶核。晶胚在相起伏中出现的几率取决于原子的个数,因此 球冠型晶核更易在小的过冷度下形成。f(θ)越小,球冠体积越小,所需过冷度越小。

3. 不同界面形状对非均质形核的影响

原因:非均质形核的临界形核功与临界晶核的体积成正比, 即临界晶核体积越小,临界形核功越小,更容易形核。

4. 动力形核 概念:液态金属在外界动力学因素的激励下也可能 在更小的过冷度下导致形核,称之为动力形核。 原因:孔穴说

金属凝固时体积减小,压力急剧增加会导致金属熔点上升。 在液态金属温度一定时,相当于增加了过冷度,从而促进形核。

3.3 晶体的生长
液相中原子不断向晶体表面的堆砌过程。 驱动力:固液两相的体积自由能差值,大小取决于 界面温度、合金成分。 晶体的生长主要受界面生长动力学过程、传热过程、 传质过程等三方面的影响。

一、
熔化反应 m 凝固反应 F

晶体生长必须克服: 热力学*捍笮∪【鲇诠桃航缑婀滔嘁徊嗟奶ń资俊 动力学*喝【鲇诠桃毫较嘟峁购鸵合嘣酉蚬滔嘣 过渡的具体形式 (即与界面的微观结构和晶体的生长机理密切相关)。

哪个*鳎

二、固液界面的微观结构

注意微观和宏观尺度下界面形态的区别!

界面阵点位置上的原子数的比例

界面自由能的相对变化量

Jackson因子对固液界面微观结构的影响:

三、界面的生长方式和生长速度

? 连续生长 ? 二维晶核生长 ? 缺陷生长

连续生长机理:粗糙界面的生长

? 连续生长,垂直生长,或正常长大 ? 这种生长机理对绝大多数的金属或合金是适 用的 ? 特点:
几乎不存在热力学能障,动力学能障也较小; 原子迁徙速度极高,晶体生长速度最终由传热 和传质过程决定。


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