液態(tài)金屬的結(jié)晶過程和結(jié)晶組織(已修改)
2025-03-05 09:00 本頁面
【正文】 上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University液態(tài)金屬的結(jié)晶過程和結(jié)晶組織上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University第四章 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程和結(jié)晶組織v第一節(jié) 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程v第二節(jié) 單相合金的結(jié)晶v第三節(jié) 多相合金的結(jié)晶上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai Universityv到目前為止，除了少數(shù)合金在超高速冷卻的條件下（ 106～108℃ /s）或特殊成分的合金（ ZrTiNiCuBe)可以通過凝固形成 非晶態(tài) 外，幾乎所有液態(tài)金屬 （包括合金）在通常的冷卻條件下都轉(zhuǎn)變?yōu)?晶體 ，即其液固轉(zhuǎn)變過程為 結(jié)晶過程 。v液態(tài)金屬的結(jié)晶過程決定著鑄件凝固后的結(jié)晶組織，并對隨后冷卻過程中的相變、過飽和相的析出及鑄件的熱處理過程產(chǎn)生極大的影響。此外，它還影響到結(jié)晶過程的其它伴生現(xiàn)象，如偏析、氣體析出、補縮過程和裂紋形成等。因此對鑄件的質(zhì)量、性能以及其它的工藝過程都具有極其重要的作用。上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University第一節(jié) 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程v液態(tài)金屬的結(jié)晶過程包括兩個過程： 形核 (nucleation)、長大 (growth)。v一次結(jié)晶的熱力學(xué)條件：216。根據(jù) Gibbs最小自由能原理，體系總是自發(fā)地趨向于使其 Gibbs自由能 G降低。金屬能否發(fā)生結(jié)晶過程，取決于體系自由能的變化。根據(jù)熱力學(xué)理論，金屬結(jié)晶時存在下列關(guān)系： Gv=HTS=E+pVTS式中 S——體系的熵 G——體系的自由能E——體系的內(nèi)能 P——體系的壓力 T——體系的熱力學(xué)溫度 V——體系的體積上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University 通常情況下，金屬結(jié)晶可以認為是在恒壓下進行的，故有： SLGLGS上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai Universityv當(dāng) T=T0時， GL=GS，固液兩相處于平衡狀態(tài)。 T0即為純金屬的平衡結(jié)晶溫度；v當(dāng) TT0時， GLGS，液相處于自由能更低的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)晶不可能進行；v只有當(dāng) TT0時， GLGS，結(jié)晶才可能自發(fā)進行。這時兩相自由能的差值 ΔGV就構(gòu)成了相變（結(jié)晶）的驅(qū)動力。SLGLGS上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University形核過程v形核方式有兩種： 均質(zhì)生核 (homogeneous nucleation)和 非均質(zhì)形核 (heterogeneous nucleation)。 216。均質(zhì)形核 ：在沒有任何外來界面的均勻熔體中的形核過程。 216。非均質(zhì)形核 ：在不均勻熔體中依靠外來雜質(zhì)或型壁界面提供的襯底進行形核的過程。 上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University 根據(jù)經(jīng)典的相變動力學(xué)理論，金屬液相原子在凝固驅(qū)動力ΔGv作用下，從高自由能 GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)變?yōu)榈妥杂赡?GS的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個勢壘 ΔGA，才能使凝固過程得以實現(xiàn)。而克服勢壘的能量是金屬原子通過金屬內(nèi)部溫度起伏，即 能量起伏 來實現(xiàn)的。 均勻形核機制上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University 均勻形核機制上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University 在一定的 過 冷度條件下，固相的自由能低于液相的自由能，當(dāng)在此 過 冷液體中出 現(xiàn) 晶胚 時 ，一方面原子從液 態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?固 態(tài) 將使系 統(tǒng) 的自由能降低，它是 結(jié) 晶的驅(qū)動 力；另一方面，由于晶胚構(gòu)成新的表面，形成表面能，從而使系 統(tǒng) 的自由能升高，它是 結(jié) 晶的阻力。均勻形核機制上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University 晶胚在過冷的均勻熔體中一出現(xiàn)，本身就包含了晶胚內(nèi)部原子引起體積自由能降低和表面原子引起表面自由能增高這一對矛盾。為了保證結(jié)晶順利進行必須滿足條件： 均勻形核機制上大冶金 先進凝固技術(shù)中心 Shanghai University均勻形核機制v均質(zhì)形核機制必須具備以下條件：216。1）過冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。216。2）形核導(dǎo)致體積自由能降低，
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