材料基础第二章马志鹏

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP

第二章 材料的凝固 Material Concretion材料由液态转变为固态的过程称为 凝固， 凝固，由于材料通常在固态下使用 ，所以凝固常常作为材料制备的基 本手段。如果凝固后得到晶体， 本手段。如果凝固后得到晶体，这 种凝固过程就称为结晶。 种凝固过程就称为结晶。©Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

凝固与结晶的概念SPECIAL JOINING GROUP

1.凝固 凝固 物质由液态转变成固态的过程。 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。 *晶体物质由液态转变成固态的过程。

*物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。 程有序排列的过程。

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

第一节 金属的结晶过程SPECIAL JOINING GROUP

Metal Crystallization

所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。 所谓金属的结晶是指金属凝固后为晶体结构过程。 一、结晶过程的宏观现象 过冷现象温 度

结晶潜热 金属结晶时从液相转变为固 相放出的热量称为结晶潜热。 相放出的热量称为结晶潜热。

Tm Tn

ΔT

时间

纯金属结晶时的 冷却曲线示意图

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP纯金属结晶时的冷却曲线

温 度

理论冷却曲线To T1结晶平台(是由结晶潜热导致 结晶平台 是由结晶潜热导致) 是由结晶潜热导致

实际冷却曲线

时间©Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

2.金属结晶的结构条件SPECIAL JOINING GROUP

近程有序结构

远程有序结构

结晶

结构起伏©Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP金属结晶的微观过程 两个过程： 两个过程：形核与长大液体 晶核

金属结晶过程示意图

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

二).结晶的一般规律

SPECIAL JOINING GROUP

形核 长大

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP

形核、 形核、长大

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

1.晶核的形成

SPECIAL JOINING GROUP

在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。 晶核形成的形式: *自发形核 △T = 200℃ *非自发形核 △T = 20℃

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

2.晶核的长大方式—树枝状

SPECIAL JOINING GROUP

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

2.晶核的长大方式—树枝状SPECIAL JOINING GROUP

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP

金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶

金 属 的 树 枝 晶

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

3.影响晶核的形核率和晶体长大率的

因素 SPECIAL JOINING GROUP

过冷度的影响 过冷度的影响 未熔杂质的影响 未熔杂质的影响

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

1)过冷度的影响

SPECIAL JOINING GROUP

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

三)细化晶粒的途径

SPECIAL JOINING GROUP

1)提高冷却速度 )

V冷2)变质处理 )

△T

N

晶粒细小

3)机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。 )机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP一、金属结晶的热力学条件

第二节 金属的结晶理论 Metal Crystallography Theory

自 由 能 G

ΔG=ΔGS-ΔGL<0

GS

GL

T

T0

温度T

液相和固相自由能随温度变化示意图

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP二、金属结晶的结构条件 液态金属的结构 长程无序，短程有序， 长程无序，短程有序，结构起伏 短程有序的原子集团是形核的结构条件。 短程有序的原子集团是形核的结构条件。 三、晶核的形成 均匀形核 ΔG 晶胚ΔGK

界面自由能 晶核

ΔG=ΔGVV+σA

G = GV 4 πr 3 + σ 4πr 2 3体积自由能

rK

r0

r

晶核半径与ΔG的关系

©

Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL J G d OINING GROUPdr

σ = GV × 4πr 2 + 8σπr,令 ddrG = 0, 得r = 2GV2

σ 代入， 把r = 2GV 代入， ddr 2G = 8 GV πr + 8σπ

得： K

d 2 G dr 2

2 = 8πσ ≤ 0;故在 r ≤ σ 处有极大值点， G 处有极大值点，

σ 有最大值： 记为rk = 2GV ,此时 G有最大值：

G =

16πσ 3 2 3 ( G)

GK称为临界形核功，rK称为临界形核半径。 当r<rK时，晶胚的长大使 G增大，由于自发过程 向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长 大，而被重熔。 当r≥rK时，晶胚的长大使 G减小，所以能自发进 行，晶胚能长大成为晶核。©Copyright by Herrmann Ultraschalltechnik GmbH & Co. KG

工程材料 方面的资料

SPECIAL JOINING GROUP非均匀形核 σLα 先来研究一下非均匀形核的机理： 先来研究一下非均匀形核的机理： 液体L S1 晶核α 假设一晶核S 假设一晶核S以球冠形状形成于 θ 基底C平面表面上，如图所示： 基底C平面表面上，如图所示： σαβ σLβ S2 σLS、σLC、Σcs分别为 分别为 基底β 、 r L—S,L—C,C—S之间的单位界面能； 之间的单位界面能； — , — , — 之间的单位界面能 θ为润湿角； 为润湿角； 为润湿角 非均匀形核示意图 A1为半径为 为半径为rsinθ的圆面积， 的圆面积， 的圆面积 A2为球冠的表面积，V为球冠的体积； 为球冠的表面积， 为球冠的体积 为球冠的体积； 由表面张力平衡关系知： 由表面张力平衡关系知： σLScosθ+σsc=

σLC A1 …… 此处隐藏：1826字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……