凝固过程的基本原理课程.pptVIP

异质形核的影响因素和形核控制 异质形核的影响因素有： （1）形核温度 如图2-8所示。对于给定的合金，当过冷度大于 某一值时，形核速率随温度的降低而迅速增大。由 于异质形核的形核速率还受其它因素的影响，所以 图中所反映的只是定性关系。 （2）形核时间 单位体积液相中形成晶核的数量是形核速率对 形核时间的积分。 （3）形核基底的数量 由于异质形核是在外来的基底上进行的，所以形核基底的数量决定着形核的数 量。由于形核基底的数量受各种随机因素的影响，很难定量描述，在形核速率的表 达式中上不能够反映其影响。因此异质形核的理论模型还不完善。 2.晶体的形核---异质形核 （4）接触角(润湿角)θ 析出固相与外来质点的接触角越小，形核速率就越大。接触角是由析出相与外来 质点的原子匹配状况来决定的。这可用前面所列公式予以说明， cosθ是衡量晶体在杂质颗粒表面扩展倾向的量度，对非自发形核功有直接影响。 为使cosθ不为负值，σSC应＜σLC，且σSC越小越好。σSC越小，则cosθ越趋于1， 形核功越小 。因此。σSC越小，越有利于形核。 （5）形核基底的形状 润湿角还与形核剂表面粗糙度有关。 如图2-9所示，θ不变时，在凹面、平面、 凸面三种表面形状的基底中，凸面上形 成的晶胚体积最大，平面上次之。界面为 凹面时临界晶核体积最小，形核功最小。 2.晶体的形核---异质形核 依据上述原理，就可以实现对凝固过程形核的有效控制，从而实现对凝固组织 的控制。形核过程控制一般包括： （1）促进形核 在普通铸件和铸锭的凝固中，人们通常希望得到细小的等轴晶组织，为此，常 常采用各种特殊措施促进形核： 如增大冷却速度，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程中的液流冲击造成型壁上已凝固晶粒的脱落； 添加晶粒细化剂，促进抑制形核，即孕育处理； 采用机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动等措施使树枝状晶粒破碎，获得大量的 结晶核心，最终形成细小的等轴晶组织。 其中，最简单而有效的方法就是采用孕育处理。晶体结构、化学因素（两异类 原子间的结合键力）以及表面状态等对孕育剂的形核效果都起着重要的作用。必 须保证孕育剂在液态金属中的均匀分布，防止其表面的污染如氧化以及吸附其它 有害于降低界面张力的元素，以及防止其熔化。 2.晶体的形核---异质形核 （2）抑制形核 目的是为了获得单晶，或实现大过冷度条件下的凝固，或得到非晶材料。 快速冷却是实现抑制形核的重要途径之一，但由于所需的冷却速率必须非常大，所以技术实现上存在很大困难。 去除液相中的固相质点是另一种抑制异质形核的途径。常用的方法有循环过热法和熔融玻璃净化法等。 坩埚表面也有可能成为异质形核的基底，所以可采用悬浮熔炼或熔融玻璃隔离来抑制形核。 （3）选择形核 当合金液在远离热力学平衡的大过冷度条件下凝固时，某些在低温下才会形成 的非平衡相可能达到形核条件而优先于平衡相发生形核并长大。因此，通过控制形 核温度或者加入适合于特定相的形核剂（润湿角小）鼓励某些特定相优先进行形核 和生长，这样就可实现凝固过程特定相的选择。 2.晶体的形核---异质形核 固-液相界面结构 晶核一旦形成，将会持续生长。晶体的生长过程受以 下因素控制：界面原子附着动力学；毛细作用；热扩散和 质量扩散。通常，可以把材料按结晶形貌分成两大类： 非小晶面长大：如金属和一些特殊的有机化合物。其 晶体具有宏观上光滑的固-液界面，且无任何结晶面的特征。图 3-22a为此类晶体 外形，原子向固-液界面的附着是各向同性的。原子的供给取决于热流及溶质原子 的扩散场，哪个方向传热、传质快，哪个方向就长得快。此外，由于界面能的各向 异性，此类晶体长大时具有择优取向，表现为树枝晶主干有一定的结晶取向。 小晶面长大：如类金属和金属间化合物、矿物、多数有机物晶体。其晶体具有 宏观上锯齿状的固液界面，并显示出结晶面的特征，图3-22b是这类晶体的外形。 此类晶体不同晶面的长大速度不同：高指数晶面长大时垂直于晶面方向向前推进的 速度很快，最后被低指数晶面包封，从而形成有棱角的外形。 3.晶体的长大---固-液相界面结构 为了判断一种物质属于哪类晶面生长方式，Jackson推导出了固-液界面相对 吉布斯自由能变化 （ ）与界面上沉积原子几率的关系式， 式中，