液態(tài)金屬的結(jié)晶過程和結(jié)晶組織-文庫吧資料
2025-03-01 09:00本頁面
【正文】 極大。 這樣 ，從生核開始直到凝固 結(jié) 束，在整個 結(jié) 晶 過程中，固、液兩相內(nèi)部將不斷 進 行著溶 質(zhì) 元素重新分布的過 程。因此 結(jié) 晶 過 程必然要 導 致界面 處 固、液兩相成分的分離。 第二節(jié) 單相合金的結(jié)晶上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 除 純 金屬 這 一特例外， 單 相合金的 結(jié) 晶 過 程一般是在一個固液兩相共存的溫度區(qū) 間 內(nèi)完成的。 按液 態(tài) 金屬 結(jié) 晶 過 程中晶體形成的特點，合金可分 為 單 相合金 和 多相合金 兩大 類： 晶體的生長方向和生長界面上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University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 冷度下，松散面的生 長 速度比密排面的生 長 速度大。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。晶體的生 長 方向與 熱流方向相平行。 粗糙界面是一種各向同性的非晶體學晶面，原子在界面各 處 堆砌的能力相同。晶體的生長－從缺陷處生長機理 由于靠近位 錯處 的臺 階 只需堆砌少量的原子就能旋 轉(zhuǎn) 一周，而離位 錯較遠處則 需堆砌 較 多的原子才能旋 轉(zhuǎn) 一周，故生 長的 結(jié) 果將在晶體表面上形成螺旋型的蜷 線 ， 這 就是螺旋位 錯 生長 機理。 晶體的生長－從缺陷處生長機理上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 當生 長 著的平整界面上存在有螺旋位 錯 露 頭時 ，界面就不再是 簡單 的平面，而是一個螺旋面，而且必然存在有臺 階 。晶體中的缺陷，如位 錯 、 孿 晶就能 產(chǎn) 生 這 種效應 。 實驗 表明，即使在 遠 低于完整界面 臨 界 過 冷度的情況下，仍可以以可 觀 的速度生 長 。 晶體的生長－二維晶核長大機制上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 二 維 生核控制著界面 動 力學 過 程，因此需要 較大的 動 力學 過 冷度來 驅(qū)動 ，其 動 力學 過 冷度 ΔTk臨界 值為 1～ 2K，是 連續(xù) 生 長動 力學 過 冷度的一百余倍。當 長滿 一 層 后，界面就前 進 了一個晶面距。因此它無法借助于 連續(xù) 生 長 機制進 行生 長 ，而是利用二 維 生核的方法 進 行生 長 。晶面內(nèi)原子排列 緊 密， 結(jié) 合力 較 強 。 絕 大多數(shù)金屬從熔體中 結(jié) 晶 時 具有粗糙界面 結(jié)構(gòu)，因此在很小的 過 冷度下就可以 獲 得極高的生 長速度。 進 入臺 階 的原子、由于受到 較 多固相近 鄰 原子的作用，因此比 較穩(wěn) 定，不易脫落或 彈 回。界面 處 始 終 存在著 50％左右隨機分布的空位置。生 長 速度除了受 過冷度的支配， 還 與生 長 機理密切相關。晶體的生長上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 晶體 長 大是通 過 液相原子向晶核表面堆砌來實現(xiàn) 的，晶體 長 大方式及速率與晶體表面 結(jié) 構(gòu)有關。 平整界面 (smooth interface)（小平面界面）：界面固相一 側(cè) 的點 陣 幾乎全部被固相原子占據(jù)，只留下少數(shù)空位；或在充 滿 固相原子的界面上存在少數(shù)不 穩(wěn) 定的、孤立的固相原子，從而從整體上看是平整光滑的（ 圖 37b）。 粗糙界面 （ rough interface）（非小平面界面）：界面固相一 側(cè) 的幾個原子 層 點 陣 位置只有 50%左右 為 固相原子所占據(jù)。反之，表 現(xiàn)為為 晶體熔化 (圖 36)。在上述 過 程中，從微 觀 尺度看，原子的遷移是雙向的，從液相向固相，從固相向液相。 一種好的生核 劑 (nucleant)首先 應 能保 證結(jié) 晶相在 襯底物 質(zhì) 上形成盡可能小的 潤 濕角 θ ，其次生核 劑還應該 在液 態(tài) 金屬中盡可能地保持 穩(wěn) 定，并且具有最大的表面 積 和最佳的表面特性。非均勻形核機制上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 研究生核 過 程的目的是 為 了控制生核。 當 θ＝ 0時 ， f（ θ）＝ 0，因此 V冠 ＝ 0， ΔG非 ＝ 0。由于 0≤θ≤180176。 這 就是 說 ，當 結(jié) 晶相不 潤 濕 襯 底 時 ， 襯 底不起促 進 生核作用，液 態(tài) 金屬只能進 行均 質(zhì) 生核，生核所需的 臨 界 過 冷度 (supercooling)最大。當 θ=180176。 這說 明了均 質(zhì) 生核的局限性。即使按金屬熔點的 ～ 計 算， 對 熔點較 低的 純鋁 來 說 ， ΔT 亦可達 195℃ 左右。上大冶金 先進凝固技術中心 Shanghai University 為 克服均 質(zhì) 生核 過 程中的高能量障礙，所需的 過 冷度是很大的。216。216。2）形核導致體積自由能降低，界面自由能提高。1）過冷液體中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。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
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