5.凝固1.ppt

第五章 凝固 第五章 凝固 物质由液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种型材、棒材、板材和线材。 金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 现代液体金属结构理论认为： 液体中原子堆积是密集的，但排列不那么规则。大范围看，原子排列是不规则的，但从局部微小区域来看，原子可以偶然地在某一瞬间内出现规则的排列，然后又散开。（结构起伏）→一定条件下，可以长大成晶核。 5.2 结晶的热力学条件 5.3 形核规律 思考题 * 熔化 炼钢 浇注 炼铜 图 金属气态、液态和固态的原子排列示意图 §5.1.1 液态金属的结构 (l)金属的熔化潜热(Lm)远小于其气化潜热(Lb) 。 (2)金属熔化时的体积变化仅为3～5﹪左右。而液、气态之间的体积差别却大得多。 (3)金属的熔化熵Sm相对于固态时由室温至Tm之间熵变⊿S有较大的增加。 (4)金属液、固两态的热容量差别不大，一般在10﹪以下，而液、气态热容量相差为20～50﹪，液态金属中原子运动状态与固态相近。 (5)由X射线分析结果表明，在熔点Tm附近的液态金属中的原子平均间距比固态稍大些；原子配位数比密排结构的晶体稍小些，通常在8～11之间。 由以上研究结果推断，液态金属具有与固态金属相近似的结构。 1963巴克提出了准晶体结构模型，即认为在略高于熔点的液态金属中，存在着许许多多与固态金属中原子排列近似的微小原子集团。由于液态金属中原子热运动比较激烈，这些近程规则排列的原子集团不稳定，时聚时散，此起彼伏。 1965～1970年，伯纳尔等人提出了随机密堆模型(非晶体模型)来描述液体结构。这个模型的基本点是认为液态结构属非晶态，假设把许多相同的刚性小球倒入一具有不规则的光滑表面的容器中，用力晃动容器，使刚球彼此紧密接触，这就是液态金属中原子排列的图象。 当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。 单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率，用N表示，单位为cm-3·s-1。单位时间内晶核增长的线长度叫做长大速度，用u表示，单位为cm·s-1。 液态金属的结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。 §5.1.2 纯金属的结晶过程 图 金属结晶过程示意图 图 热分析设备示意图 图 纯铁的冷却曲线 从温度—时间曲线（冷却曲线）可见，纯金属结晶有两个宏观现象：过冷和恒温。 纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。 Tm与Tn的差值⊿T叫做过冷度。 §5.2.1 结晶的过冷现象 不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度也不是恒定值，它将随实验条件而变。冷却速度增大，会使金属凝固时的过冷度增大。 过冷是金属凝固的必要条件。 金属由液体冷凝成固体时要放出凝固潜热，如果这一部分热量恰好能补偿系统向环境散失的热量，凝固将在恒温下进行。 纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。 压力可视为常数，dp=0 温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度增加，即熵值增加，所以系统的自由能随温度的升高而降低。 §5.2.2 结晶的热力学条件 图 吉布斯自由能随温度变化的关系 TTm,GLGS,处于液态； T=Tm,GL=GS,两相共存； TTm,GLGS,处于固相。 △G＝GS-GL0 其大小是转变驱动力大小的标志 热力学条件： △Gv=-Lm△T/Tm a） △T0, △Gv0－过冷是结晶的必要条件（之一）。 b ）△T越大, △Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。 c） △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。 图 吉布斯自由能随温度变化的关系 自发形核(均匀形核)：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。 非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。 图 均匀形核 图 非均匀形核 在液态金属中，时聚时散的近程有序的原子集团是形成晶核的胚芽，叫晶胚。 在过冷条件下，晶胚形成时，系统自由能变化包括体积自由能的下降和表面能的增加。 §5.3.1 均匀形核 1.均匀形核的