铸件成形原理作者祖方遒第3章　晶体形核与生长课件.pptxVIP

铸件成形原理第3章　晶体形核与生长3.1　引言3.2　液-固相变驱动力及过冷度3.3　凝固形核3.4　晶体生长3.1　引言凝固是指物质由液体转变为固体的相变过程，凝固过程的现象、规律和基本理论既涉及多学科交叉的基础科学，又涉及应用性极强的众多工程技术和高科技领域，尤其对金属铸件、铸锭、焊接熔池的成形技术，以及各类新材料研究与开发具有重要意义。严格地说，凝固包括由液体向晶态固体转变(结晶)，以及向非晶态固体转变(玻璃化转变)两种过程方式。常用工业合金和金属的凝固过程一般只涉及前者。结晶过程是从形核开始的，而后通过晶体生长使得整个系统逐步由液体转变为固体。为此，在讨论形核条件和晶体生长的影响因素及其规律之前，有必要首先了解结晶凝固的一般过程。3.1　引言图3-1　单相树枝晶和两相共晶组织的等轴凝固过程a)单相树枝晶　b)两相共晶组织3.1　引言图3-2　等轴树枝晶凝固过程各参数随时间的变3.2　液-固相变驱动力及过冷度3.2.1　液-固相变驱动力3.2.2　凝固过冷度3.2.1　液-固相变驱动力图3-3　等压条件下固、液两相的自由能-温度曲线3.2.2　凝固过冷度1.动力学过冷(Kinetic Undercooling)2.曲率过冷(Curvature Undercooling)及压力过冷(Pressure Undercooling)3.热过冷(Thermal Undercooling)4.成分过冷(Constitutional Undercooling)1.动力学过冷图3-4　动力学过冷度2.曲率过冷在液-固平衡温度Tm下，对于平直界面(r=∞时)，原子由固相移向液相的速度与由液相移向固相的速度是相等的。但当晶体尺寸变小时，由于表面曲率变大，曲率半径变小，界面张力产生的附加压力Δp以及由此而引起的附加自由能ΔG1也会随之变大，因而液-固界面就会失去平衡。此时，固相原子移向液相比液相原子移向固相更容易，故晶体越小，就越容易熔化。在这种情况下，界面只有通过获得某一过冷度ΔTr，并以其体积自由能降低(ΔG2)为驱动力来抵消这种效应，界面才能恢复平衡。ΔTr的表达式可推导如下：从本质上来看，由于固-液界面自由能σSL的存在，固相任意曲面的曲率k引起固相内部的压力增高，这产生了附加自由能ΔG1=VSΔp=VSσSL1r1+1r2=VSσSLk3.热过冷图3-5　热过冷(图中未考虑动力学过冷及曲率过冷)4.成分过冷图3-6　成分过冷3.3　凝固形核3.3.1　均质形核3.3.2　非均质形核与均质形核的比较3.3.3　非均质形核的形核条件3.3.1　均质形核图3-7　在液相中形成球形晶胚时的自由能变化3.3.1　均质形核图3-8　液态金属r°、与T的关系及临界过冷度Δ3.3.2　非均质形核与均质形核的比较1.非均质形核临界半径及形核功2.形核率3.均质与非均质形核的临界过冷度1.非均质形核临界半径及形核功图3-9　非均质形核示意图1.非均质形核临界半径及形核功表3-1　润湿角θ与函数f(θ)的值2.形核率图3-10　形核率和形核时间与热力学温度的函数关2.形核率图3-11　形核速率与形核功Δ的函数关3.均质与非均质形核的临界过冷度图3-12　均质形核的形核率与过冷度的关系3.均质与非均质形核的临界过冷度表3-2　几种金属均质形核的临界过冷度及固-液界面3.均质与非均质形核的临界过冷度表3-3　非均质形核过冷度与润湿角的关3.均质与非均质形核的临界过冷度图3-13　非均质形核、均质形核过冷度与形核率3.3.3　非均质形核的形核条件1.基底与结晶相的晶格错配度的影响2.冷却速度的影响3.结晶相枝晶熔断和游离的作用1.基底与结晶相的晶格错配度的影响在实际生产中，晶粒尺寸与晶核密度成反比。当需要细小晶粒时，可将孕育剂添加到熔体中形成高度弥散的质点作为结晶相的形核基底。作为形核基底的质点应该具备哪些性质才能够有效地起到异质形核的作用，这关系到选择什么样的物质作为孕育剂的主要组分。2.冷却速度的影响在金属液体中往往存在着形核能力不同的多种物质，其形核行为与冷速有关。对特定性质的金属熔体而言，冷速越大则过冷度越大，能促使非均匀形核的外来质点的种类和数量越多，非均质形核能力越强。说明具有一定形核能力的杂质颗粒，其形核行为与冷速有关。3.结晶相枝晶熔断和游离的作用在许多铸造条件下，与异质基底形核的情况类似，熔体对流或某些外场作用可使在浇注期间形成的激冷晶或生长着的结晶相枝晶臂熔断或折断，它们游离到熔体中，可作为新生晶粒的现成晶核。如在钢的连铸过程中，可通过电磁搅拌等措施来获得枝晶臂折断或熔断效应。这类方法是非常有效的，因为所产生的晶核为同相晶体因而完全共格，也没有阻碍润湿的表面氧化层。3.4　晶体生长3.4.1　固-液界面的微观结构3.