液態(tài)金屬的結(jié)晶過(guò)程和結(jié)晶組織(編輯修改稿)
2025-03-15 09:00 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 sity 平整界面 具有很 強(qiáng) 的晶體學(xué)特征，一般都是特定的密排面。晶面內(nèi)原子排列 緊 密， 結(jié) 合力 較 強(qiáng) 。由于缺少 現(xiàn) 成的臺(tái) 階 ，堆砌上去的原子很不 穩(wěn) 定，極易脫落或 彈 回。因此它無(wú)法借助于 連續(xù) 生 長(zhǎng) 機(jī)制進(jìn) 行生 長(zhǎng) ，而是利用二 維 生核的方法 進(jìn) 行生 長(zhǎng) 。就是 說(shuō) 必 須 在平整界面上形成二 維 晶核而 產(chǎn) 生臺(tái) 階 ，然后通 過(guò) 原子在臺(tái) 階 上的堆砌而使生 長(zhǎng)層 沿界面 鋪開(kāi)。當(dāng) 長(zhǎng)滿(mǎn) 一 層 后，界面就前 進(jìn) 了一個(gè)晶面距。 這時(shí) 又必 須 借助于二 維 生核 產(chǎn) 生新的臺(tái) 階 ，新一 層 才能開(kāi)始生 長(zhǎng) …… 所以 這 種生 長(zhǎng) 是不 連續(xù) 的。 晶體的生長(zhǎng)－二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 二 維 生核控制著界面 動(dòng) 力學(xué) 過(guò) 程，因此需要 較大的 動(dòng) 力學(xué) 過(guò) 冷度來(lái) 驅(qū)動(dòng) ，其 動(dòng) 力學(xué) 過(guò) 冷度 ΔTk臨界 值為 1～ 2K，是 連續(xù) 生 長(zhǎng)動(dòng) 力學(xué) 過(guò) 冷度的一百余倍。 二 維 生核生 長(zhǎng) 機(jī)理是 對(duì) 理想的平整界面而言的。 實(shí)驗(yàn) 表明，即使在 遠(yuǎn) 低于完整界面 臨 界 過(guò) 冷度的情況下，仍可以以可 觀 的速度生 長(zhǎng) 。 這 意味著生長(zhǎng)過(guò) 程中存在著某種效 應(yīng)為 界面不斷提供生 長(zhǎng) 臺(tái)階 。晶體中的缺陷，如位 錯(cuò) 、 孿 晶就能 產(chǎn) 生 這 種效應(yīng) 。很多合金中的非金屬相都是通 過(guò)該 機(jī)理 進(jìn) 行生長(zhǎng) 的。 晶體的生長(zhǎng)－從缺陷處生長(zhǎng)機(jī)理上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 當(dāng)生 長(zhǎng) 著的平整界面上存在有螺旋位 錯(cuò) 露 頭時(shí) ，界面就不再是 簡(jiǎn)單 的平面，而是一個(gè)螺旋面，而且必然存在有臺(tái) 階 。通 過(guò) 原子在臺(tái) 階上的不斷堆砌，晶面便 圍繞位 錯(cuò) 露 頭 而旋 轉(zhuǎn) 生 長(zhǎng) 。晶體的生長(zhǎng)－從缺陷處生長(zhǎng)機(jī)理 由于靠近位 錯(cuò)處 的臺(tái) 階 只需堆砌少量的原子就能旋 轉(zhuǎn) 一周，而離位 錯(cuò)較遠(yuǎn)處則 需堆砌 較 多的原子才能旋 轉(zhuǎn) 一周，故生 長(zhǎng)的 結(jié) 果將在晶體表面上形成螺旋型的蜷 線(xiàn) ， 這 就是螺旋位 錯(cuò) 生長(zhǎng) 機(jī)理。上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 晶體生 長(zhǎng) 方向和生 長(zhǎng) 表面的特性與界面性 質(zhì) 有關(guān)。 粗糙界面是一種各向同性的非晶體學(xué)晶面，原子在界面各 處 堆砌的能力相同。因此在相同的 過(guò) 冷度下，界面各 處 的生 長(zhǎng) 速度均相等。晶體的生 長(zhǎng) 方向與 熱流方向相平行。晶體的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)界面上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 平整界面在 顯 微尺度下有著光滑的生 長(zhǎng) 表面，具有很強(qiáng) 的晶體學(xué)特性。由于不同晶面族上原子密度和晶面 間 距的不同，故液相原子向上堆砌的能力也各不相同。因此在相同的 過(guò) 冷度下，各族晶面的生 長(zhǎng) 速度也必然不同。一般而言，液相原子比 較 容易向排列松散的晶面上堆砌，因而在相同的 過(guò) 冷度下，松散面的生 長(zhǎng) 速度比密排面的生 長(zhǎng) 速度大。 這樣 生 長(zhǎng) 的 結(jié) 果，快速生 長(zhǎng) 的松散面逐 漸隱 沒(méi)，晶體表面逐 漸為 密排面所覆蓋（如 圖 311）。 晶體的生長(zhǎng)方向和生長(zhǎng)界面上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 按液 態(tài) 金屬 結(jié) 晶 過(guò) 程中晶體形成的特點(diǎn)，合金可分 為 單 相合金 和 多相合金 兩大 類(lèi)： 單 相合金 在 結(jié) 晶 過(guò) 程中只析出一個(gè)固相的合金。 多相合金 在 結(jié) 晶 過(guò) 程中析出兩個(gè)以上新相的合金。 第二節(jié) 單相合金的結(jié)晶上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University 除 純 金屬 這 一特例外， 單 相合金的 結(jié) 晶 過(guò) 程一般是在一個(gè)固液兩相共存的溫度區(qū) 間 內(nèi)完成的。在區(qū) 間 內(nèi)的任一點(diǎn)，共存兩相都具有不同的成分。因此 結(jié) 晶 過(guò) 程必然要 導(dǎo) 致界面 處 固、液兩相成分的分離。同 時(shí) ，由于界面 處 兩相成分隨著溫度的降低而 變 化，故晶體生 長(zhǎng) 與 傳質(zhì)過(guò) 程必然相伴而生。 這樣 ，從生核開(kāi)始直到凝固 結(jié) 束，在整個(gè) 結(jié) 晶 過(guò)程中，固、液兩相內(nèi)部將不斷 進(jìn) 行著溶 質(zhì) 元素重新分布的過(guò) 程。我 們 稱(chēng)此 為 合金 結(jié) 晶 過(guò) 程中溶 質(zhì) 再分配 。它是合金結(jié) 晶 過(guò) 程的一大特點(diǎn)， 對(duì)結(jié) 晶 過(guò) 程影響極大。 顯 然，溶 質(zhì)再分配 現(xiàn) 象起因于平衡 圖 ， 這 一系 統(tǒng)熱 力學(xué)特性所決定的界面兩 側(cè) 溶 質(zhì) 成分的分離，而具體的分配形式 則 與決定 傳質(zhì)過(guò) 程的 動(dòng) 力學(xué)因素密切相關(guān)。 單相合金結(jié)晶過(guò)程中的溶質(zhì)再分配上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University平衡分配系數(shù)上大冶金 先進(jìn)凝固技術(shù)中心 Shanghai University平衡 結(jié) 晶 杠桿定律 (level principle) 如果近似地將合金的液相 線(xiàn) 和固相 線(xiàn) 看成直 線(xiàn) ，對(duì) 于 圖 312的合金系 統(tǒng) ，其 k0為 一常數(shù)。因 為 k0為 常數(shù)，可以推 導(dǎo) 出，在 結(jié) 晶初期，即 T = T1時(shí)， C*S =C0k0， C*L =C0。在 結(jié) 晶 終 期即 T = T2時(shí) ，CS *≈C0， CL* ≈C0 /k0。 單相合金結(jié)晶時(shí)溶質(zhì)再分配規(guī)律上大冶金
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