[化学]02 纯金属及合金的结晶2.pptVIP

2.3 纯金属的结晶 一. 结晶的概念 二. 结晶的一般过程、规律 三. 同素异构转变 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。 一、 结晶的概念  2. 过冷现象与过冷度 过冷现象 实际生产中，液态金属都是以较快的速度冷却的，液态金属只能在理论结晶温度以下才开始结晶，这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷 过冷度 当金属开始结晶时，由于放出结晶潜热，在冷却曲线上就出现一段水平线(温度不变)，这段水平线所对应的温度就是实际结晶温度(用T1表示)。实际结晶温度总是低于理论结晶温度，两者之差称为过冷度，用△T表示。 ΔT = T0 – T1 过冷是结晶的必要条件。 2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。 理论结晶温度与实际结晶温度的差?T称过冷度 ?T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 金属的固态和液态之间存在这一个自由能差△G，自然界中，一切自发转变的过程总是从一种能量较高的状态趋向能量较低的状态。只有当结晶温度小于T0时固态金属的自由能才小于液态自由能，结晶才能自发进行。 △T越大， △G就越大，结晶越容易。 二)、结晶的一般规律 晶核形成 晶核长大 1.晶核的形成 形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。 由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体的固有规律排列起来称为自发行核。 二是由液态金属中一些外来的未溶微粒（其晶体结构和晶格参数与金属晶体结构相似相当时）而形成的，称为非自发行核。 非均匀形核更为普遍。 2、晶核的长大 晶核形成后，随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体沿各个方向不断生长，当它与相邻的晶体相互接触时，这个方向就停止了生长，最后当全部长大的晶体都相互接触，液体金属消耗完时，结晶过程就完成。 晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 晶核的长大方式： 晶核的长大方式有两种，即平面式长大和树枝状长大。 平面式长大 在平衡条件下或 过冷度较小的情 况下，晶体生长 以平面状态向前推进。 树枝状长大 实际金属结晶主要以树枝状长大. 当过冷度较大，特别是液态金属内存在非自发晶核时，金属晶体往往按树枝状的形式长大 晶核的长大方式—树枝状 晶体在各个方向生长的速度是不一致的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大，从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶轴、三次晶轴、…，从而形成一个树枝状晶体，称为枝晶。 树枝状长大的实际观察 树枝状长大的实际观察 树枝状结晶 由每个晶核长成的晶体称为晶粒，晶粒之间的接触面称为晶界。晶粒的外形是不规则的。因此，金属实际上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所组成的多晶体 晶粒的大小对金属的性能影响很大。因为晶粒小则晶界就多，而晶界增强了金属的结合力。因此，一般金属的晶粒越小，强度、塑性和韧性就越好。 三）、影响晶核的形成和成长速率的因素 影响晶核的形成率和成长率的最重要因素是结晶时的过冷度和液体中的不熔杂质 1) 过冷度的影响 金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大。过冷度对晶核的形成率和成长率的这些影响，主要是因为在结晶过程中有两个相反的因素同时在起作用 其中之一即如前所述的晶体与液体的自由能差（⊿Ｇ），它是晶核的形成和成长的推动力 另一相反因素便是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），这是形成晶核及其成长的必需条件，因为原子的扩散系数太小的话，晶核的形成和成长同样也是难以进行的。 在图中，我们还从晶核的形成率与成长率之间的相对关系示意地表达出了几种不同过冷度下所得到的晶粒度的对比，从中可以得到一个十分重要的结论即在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度愈大或过冷度愈大时，金属的晶粒度便愈细 2)未熔杂质的影响 任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着这些现成的