2纯金属的结晶试卷.pptxVIP

第二章 纯金属的结晶 第二章 纯金属的结晶 教学目的与要求 1、了解金属结晶的现象：宏观的、微观的； 2、 熟悉金属结晶热力学、结果条件； 3、 了解晶体结晶的过程，掌握晶体大小的控制方法； 4、 熟悉铸锭的内部组织及缺陷，了解钢中杂质元素的作用与影响。 教学重点：过冷度、结晶晶粒大小的控制 教学难点：纯金属结晶的条件 金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度 (ΔT )。 ΔT = Tm － Tn 2.1 金属结晶的现象 2.1.1 结晶过程的宏观现象 A. 过冷现象 纯度越高，过冷度越大； 其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也越大。当冷却速度达到106 oC/s以上时，液态金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。 A. 过冷现象 过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的冷却速度有关。 结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。 结晶潜热 ? 环境散热→冷却平台→平台延续的过程就是结晶所需的时间。 B、结晶潜热 无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶过程是形核和长大的过程。 2.1.2 金属结晶的微观过程 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。 过程 问题： 为什么金属不能在理论结晶温度结晶，而需要过冷？ 2.2 金属结晶的条件 金属各相Gibbs自由能G可表示为： G = H –TS＝Ｕ＋pV－TS， H：焓，Ｕ：内能，ｐ：压力，Ｖ：体积，T：温度，S：熵。 dG＝dU＋pdV＋Vdp－TdS－SdT 而　dU＝TdS-pdV (热力学第一定律) 因此：dG = TdS－pdV＋ pdV＋ Vdp－TdS－SdT ＝ Vdp – SdT 对于金属凝固过程，dp＝0 因此：dG/dT = -S 2.2.1 金属结晶的热力学条件 dG/dT = -S 熵S表征系统中原子排列混乱程度的参量，S恒大于零。 固相原子排列有序；因此： Ss SL │( dG/dT )s││( dG/dT )L│ 因此液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点Tm处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有T Tm时，液体转变为固体时吉布斯自由能下降，存在结晶的驱动力，结晶过程才能发生。 液态和固态的吉布斯自由能—温度曲线 过冷度DT与结晶驱动力 — 单位体积自由能的变化DGv有何关系？ DGv =Gs - GL = -(HL-HS)-T(Ss-SL) HL-HS=DHf 0， DHf 为相变潜热，T＝Tm时，DGv =0，因此有： DHf = -TmDS， DS = -DHf /Tm T Tm时，DS变化很小，可视为常数，因此液固两相Gibbs自由能差DGv为： 　　DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm 可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力，不能凝固。 因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结晶的热力学条件。这就说明了为什么必须过冷的根本原因。 金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。 2.2.2 金属结晶的结构条件 液体的原子排列： 短程有序，长程无序。 短程有序集团不断出现和消失，处于变化之中。 这些瞬间出现、消失的有序集团称为结构起伏或相起伏。 2.2.2 金属结晶的结构条件 相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。 前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过冷5~20oC时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。 因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的（机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？ 以下两节的内容分别从形核和长大两个基本过程进行讨论 母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新相晶核的过程称为形核。液体金属中形核有均匀形核和非均匀形核两种方式。 2.3 晶核的形成 均匀形核 又称均质形核或自发形核。是指从液相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过程。 均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。 非均匀