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第四章 凝固、晶体缺陷与固体扩散
第四章 凝固、晶体缺陷与固体扩散
§4 .1 金属的凝固(Solidification of Metals)
一般金属及合金的凝固过程分为两个阶段:
1) 熔融金属中形成稳定晶核——形核;
2) 晶核长大成为晶体,并形成晶粒组织——晶核生长。
结晶完成后获得的晶粒的可以是等轴、柱状或枝晶,晶粒的最终形状与多
种因素有关。
一.晶核的形成(The Formation of Stable Nuclei in Liquid Metals)
结晶核心的形成有两种主要方式,即均匀形核与非均匀形核。
1.均匀形核(Homogeneous Nucleation )
从熔融液体内部自发地长出结晶核心的凝固过程称为均匀形核。
液态金属的结构从长程范围(宏观)来看,原子排列是不规则的;而在短程
范围(微观),每一瞬间都存在着大量尺寸不等的规则排列的原子团。液体金属
中的规则排列的原子团总是处于此起彼伏的变化中,这种现象称为液态金属的相
起伏或结构起伏。
相起伏是产生晶核的基础。
凝固点温度以下,只有当尺寸超过某一临界值的相起伏才能稳定生长。
尺寸小于临界值的相起伏称为晶胚;尺寸大于临界值的则称为晶核。
过冷是晶核形成的必要条件。
2 .均匀形核时的能量变化(Energies involved in homogenous nucleation)
纯金属均匀形核凝固时,有两类能量变化需纳入考虑:
1) 原子从液态转变成固体时释放的体积自由能(驱动力) ;
2) 构造固体颗粒新表面的表面自由能(阻力) 。
GT GV Gs (4- 1)
GV V Gv (4-2)
Gs A g (4-3)
式中,G ——液、固两相单位体积自由能差, 0 ;
v
—— 晶胚比表面自由能。
4-1
设形成的晶胚呈半径为r 球形,
4
3 2 G
GT pr Gv 4pr g (4-4) s
3
3 2 *
GV r ,而Gs r 。 GT
G
T
GT 与r 的关系如图所示。
*
当r r 时, GT 0 ,且r ↗, GT ↗;
G
V
*
当r r 时,r ↗, GT ↘。
*
r = r 时, GT 达到最大值。
*
r ——称为临界半径;
* *
半径恰好等于r 的晶核就称为临界晶核; GT 称为临界形核功。
GT 对r 求导,并令
d ( GT )
0
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