材料科学基础课件第二章 节 材料的凝固.pptVIP

第二章　材料的凝固 Chapter 2 Solidification of Materials;　新材料的发展，不仅与对材料的成分—结构—性能的研究有着密切的关系，还与其制备方法和过程有着直接的联系。 　材料的制备过程对其力学性能、物理和化学性能都会产生较大的影响。了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法，对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。 　制备材料的典型工艺过程： 金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成 　凝固与结晶： 凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。 结晶（Crystallization） 　 晶体物质由液态转变成晶态固体的过程。 　　 结晶是凝固的一种形式。;第二章 材料的凝固－§2.1 液态金属的性质和结构;第二章 材料的凝固－§2.1 液态金属的性质和结构;　液态金属的结构特点： 原子排列的短程有序（Short-range Ordered）、长程无序（Long-range Random） 　在液态金属中存在着局部规则排列的有序原子团，即短程有序。但在大范围内，液态金属的原子排列是无序的，即长程无序。 存在结构起伏（Structure Fluctuation） 　液态金属中的有序原子团瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定的现象称为结构起伏，或称为相起伏（Phase fluctuation）。 　结构起伏是金属结晶的结构条件。;　结晶的宏观现象主要表现在出现过冷和产生结晶潜热。 过冷（Supercooling）现象 　结晶时，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象，称为过冷。 　理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度（Degree of Super-cooling）。 　影响过冷度的因素： 金属的本性：金属不同，过冷度不同。 金属的纯度：纯度越高，过冷度越大。 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低。 冷却速度是影响过冷度的最主要因素。 结晶潜热（Latent Heat in Crystallization）　结晶时，从液相转变为固相要放出热量，称为结晶潜热。 　结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。;液体;第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理;讨论： 当T ＞Tm 时，?G＝Gs－GL＞0， 　结晶不能进行。 当T ＝Tm 时，?G＝Gs－GL＝0，　 　液、固两相处于动态平衡， 　既能结晶，也会熔化。 当T ＜Tm 时，?G＝Gs－GL＜0，　 　结晶能够进行。;第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理;第二章 材料的凝固－§2.3 金属结晶的原理;三、形核（Nucleation） 　形核的两种方式： 均匀形核（Homogeneous Nucleation） 　在液相中由一些原子团直接形成晶核的方式，又称自发形核、均质形核。 　均匀形核需要的能量大，需要较大的过冷度才有可能形成晶核。 非均匀形核（Heterogeneous Nucleation） 晶核优先依附于液相中的固相表面而形成晶核的方式。又称非自发形核、异质形核。 　非均匀形核需要的能量小，不需要太大的过冷度就可以形成晶核，在实际金属的结晶中往往起优先和主导作用。;1.均匀形核 ①形核时的能量变化和临界晶核半径（Critical Radius） 晶胚如何转变成晶核？ 　只有当晶胚的尺寸等于或大于某一临界尺寸才能成为稳定的晶核并不断长大。 　过冷液体中出现晶胚时，体系自由能的变化包含2个部分： 液－固转变引起的体积自由能降低，是结晶的驱动力。 形成晶胚引起的表面自由能的增加，是结晶的阻力。 　总的自由能变化： 　　?G＝V?Gv ＋S? 　式中， ?Gv－单位体积自由能变化；V－晶胚体积； 　　　　 S－晶胚表面积； ? －比表面能。;　设晶胚为半径为r 的球，则总的自由能变化：;临界晶核半径rK的计算： 　求函数?G 的极值，令d?G/dr＝0，则;②形核功（Activation Free Energy） 　问题：当 r0 ＞ r ＞ rK 时，?G ＞ 0，说明表面自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的晶核吗？ 　当r ＝ rK 时，?G 有极大值?GK; 问题：形核功?GK从哪里来？ 　能量起伏（Energy Fluctuation） 　在一定温度下，液态金属具有的平均自由能是一定的，但各个微观区域内的自由能并不相等，有的地方高一些，有的地方低一些，并且“高”、“低”也是处在不断变化中的。这种在液态金属中各个微观区域内所具有的能量大小不一、此起彼伏、变化不定的现象称为能量起伏。 　能