材料科學(xué)基礎(chǔ)之材料的凝固(已修改)
2025-01-08 21:10 本頁(yè)面
【正文】 第四章 材料的凝固下一節(jié) 第四章 材料的凝固 前言 物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為 凝固 。 如果液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)材料，這個(gè)過(guò)程又叫做結(jié)晶。結(jié)晶過(guò)程是一相變過(guò)程，掌握結(jié)晶過(guò)程的規(guī)律可為今后研究固態(tài)相變的普遍規(guī)律打下基礎(chǔ)，對(duì)控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高性能也是非常重要的 .第一節(jié) 液態(tài)結(jié)構(gòu)? 晶體材料在液態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)介于晶態(tài)與氣態(tài)之間，它不像晶體中那樣原子作規(guī)則的三維排列，但也不像氣體中原子那樣任意地分布著。? x射線衍射發(fā)現(xiàn)： (1)液體中原子間的平均距離比固體中略大； (2)液體中原子的配位數(shù)比密排結(jié)構(gòu)的固體的配位數(shù)減少，通常在 8~11范圍內(nèi)?，F(xiàn)代液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，液態(tài)中 原子是密集堆集 的。從長(zhǎng)程來(lái)說(shuō)是無(wú)序、無(wú)規(guī)則排列的；而在短程范圍內(nèi)，原子某一瞬間是接近晶態(tài)的規(guī)則排列。第一節(jié) 液態(tài)結(jié)構(gòu) 液態(tài)金屬中短程有序的原子集團(tuán)就是 晶胚 。在一定條件下，大于一定尺寸的晶胚就可能成為 晶核 。晶胚在液相中各微小區(qū)域內(nèi)此起彼伏的現(xiàn)象稱為 “結(jié)構(gòu)起伏 ”。不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著一定的能量狀態(tài)，加上原子之間能量的不斷傳遞，因此結(jié)構(gòu)起伏將伴隨著局部能量也在不斷變化，即局部微小區(qū)域具有的實(shí)際能量偏離平均能量水平而呈現(xiàn)瞬時(shí)漲落，這種現(xiàn)象就稱為 “能量起伏 ”。 第二節(jié)凝固的熱力學(xué)條件和過(guò)程? 純金屬的吉布斯自由能在恒溫恒壓條件下，液、固兩相的自由能 G均可用下式表示：式中 H是熱焓， T是絕對(duì)溫度， S是熵。可導(dǎo)出：dG=Vdp – SdT在恒壓下， dp=0，故上式簡(jiǎn)化為由于熵 S恒為正值，所以液、固兩相的自由能均隨溫度的升高而減小。 根據(jù)液固金屬自由能G與溫度關(guān)系曲線如 圖 33可知， GL=Gs 所對(duì)應(yīng)的溫度 Tm即理論平衡結(jié)晶溫度，當(dāng) TTm時(shí)，GsGL兩者之差值即為結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。過(guò)冷度越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力也越大，過(guò)冷是結(jié)晶的熱力學(xué)條件。第二節(jié) 結(jié)晶的熱力學(xué)條件和過(guò)程 第二節(jié) 結(jié)晶的熱力學(xué)條件 結(jié)晶的過(guò)冷現(xiàn)象 采用 圖 32熱分析裝置，將熔化的金屬緩慢冷卻，并將冷卻過(guò)程中的溫度和時(shí)間記錄下來(lái)，就得到溫度 ─時(shí)間關(guān)系曲線即冷卻曲線。從冷卻曲線可見(jiàn)，純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度(Tn)低于理論結(jié)晶溫度 (Tm),即結(jié)晶過(guò)程是在存在 ΔT(ΔT=TmTn)的條件下進(jìn)行的。 過(guò)冷現(xiàn)象? 液態(tài)材料冷卻到 Tm之下的某一溫度 Tn時(shí)開(kāi)始凝固，過(guò)程開(kāi)始后，由于釋放出結(jié)晶潛熱而使溫度回升到略低于 Tm的溫度。此后，因?yàn)榻Y(jié)晶潛熱的釋放剛好補(bǔ)償冷卻過(guò)程中向外界散失的熱量，這樣凝固過(guò)程就在一恒定溫度下完成，冷卻曲線上出現(xiàn) “平臺(tái) ”，凝固完成后由于沒(méi)有結(jié)晶潛熱抵消散失的熱量，溫度又繼續(xù)下降。? ?T最大過(guò)冷度。晶體材料凝固的一般過(guò)程TTm，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后就會(huì)形成一批小晶體，這些小晶體就叫做晶核。晶核按其原子規(guī)則排列的各自取向長(zhǎng)大，與此同時(shí)另一批新的晶核又開(kāi)始形成和長(zhǎng)大，上述過(guò)程一直延續(xù)到液
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