东南大学考研专用材料科学基础第4章-凝固全.pptxVIP

第四章凝固Solidification

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航空航天部件

宝马引擎

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怎样控制凝固过程，得到需要的材料性能?

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单晶

多晶非晶

液态

3.纯金属凝固

(1)形核

●均匀形核

●非均匀形核(2)长大

●动态过冷度

●长大方式和形态

●非平衡凝固

●成分过冷

5.共晶合金的凝固

2.凝固热力学

●凝固的热力学条件●过冷度

●凝固驱动力

●铸锭的三种铸造组织

●铸造缺陷

●凝固技术

4.固溶体合金的凝固

●平衡凝固

1.液态金属

的结构

6.铸锭组织和铸造技术

内容框架

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1.液态金属的结构

液态金属的结构对结晶过程有重要影响

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液态金属的结构的定性描述——基于物理性质

金属的熔化潜热大大低于其气化潜热

金属由固态转变为液态，近邻原子间的结

合键远非气化时那样大

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液态金属的结构的定性描述——基于物理性质

熔化过程体积变化率小，仅3~5%

熔化前后原子间距变化不大——液、固态

的原子间结合力接近

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液态金属的结构的定性描述——基于物理性质

金属熔化时熵Sm(无序程度)明显增加

液态金属中原子排列无序程度增加

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液态金属的结构的定性描述——基于物理性质

金属熔化时熵Sm(无序程度)明显增加

液态金属中原子排列无序程度增加

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液态金属的结构的定性描述——基于物理性质

XRD分析径向分布函数分析

液态金属相对于

固态金属，原子配位数降低，或原子平均间距有限增大。

液态金属中存在

短程有序，但不存在长程有序

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金(液态)在1100℃下的X射线衍射图谱

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衍射强度

0.60.8

J

10000

r(nm)

所谓径向分布函数，就是在任一参考原子周围半径

为r处的原子密度(单位容积的原子数)东南大学材料学院

对非密排结构的晶体如Sb、Bi、Ge、Ga等，

液态时配位数反而增大，故熔化时体积略为收缩。

液态金属结构的具体模型难以确立，上述的x射

线衍射或中子衍射分析虽然得出了液态原子的径向密度函数和配位数等重要数据，但不可能进一步确定原子的几何排列情况。

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液态金属的结构的定性描述

Banker模型Berbal模型

准晶结构：短程有序，结构起伏。

非晶体：随机密堆

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公认观点：

液态金属的结构长程无序，但存在短程有序；

原子热运动强烈，导致局部的原子有序排列不断地变化，不断消失又不断生成，“此起彼伏”

液态金属中这种结构不稳定的现象称为结构起

伏或相起伏。

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2.凝固热力学

晶体凝固的热力学条件是过冷度大于零

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dH=CpdT

热焓H

0

0

TS

H

斜率=Cp

T(K)

斜率=-SG

二

P

G=H-TS

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固相自由能和液相自由能

当温度很低时：G≈U,由于U₁Us,则G₁Gs

,SLSg,G₁比G₅下降更快

0熔化潜热

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TTm

或△T=Tm-T0,△T称为过冷度

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金属凝固的条件

△G=Gs-Gz0

△T

IT1m

温度

G(固相)

G(液相

H(液相)

H(固相)

7(K)

GL

G

自由能

自由能

△G

时间一

纯铁的冷却温度曲线

金属凝固的过冷现象

温度

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n

△T0,△G0

△T越大，△G绝对值越大，凝固的驱力越大

△T0是金属凝固的热力学条件，△G是凝固的驱动力

在Tm下，△Gm=△Hm-Tm△Sm=0

Lm为熔化潜热；

当过冷度△T=T-Tm不大时，△H及△S可看作与温度无关

温度一

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自由能

3.纯金属的凝固过程

形核

凝固过程

长大

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凝固过程：形核长大

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必均匀形核：液相内各处同时形核，单位体

积内形成的晶核数相同；

非均匀形核：借助于模壁、杂质、自由表

面等处形核；

实际的形核过程都是非均匀形核

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1)形核功和临界晶核

TTm时液相内的原子聚合成晶胚，

晶胚内原子有序排列。

此时系统自由焓发生两方面变化：

a.∵G₅GL,