1、第2章 純金屬的結(jié)晶 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。由于凝金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。由于凝固后的固態(tài)金屬通常是晶體，所以又將這一轉(zhuǎn)變固后的固態(tài)金屬通常是晶體，所以又將這一轉(zhuǎn)變過程稱為過程稱為結(jié)晶結(jié)晶。 在鑄造、焊接、液態(tài)模鍛和金屬的半固態(tài)成形等在鑄造、焊接、液態(tài)模鍛和金屬的半固態(tài)成形等方面都存在金屬的結(jié)晶問題。方面都存在金屬的結(jié)晶問題。 金屬結(jié)晶后所得到的組織對金屬隨后的加工和使金屬結(jié)晶后所得到的組織對金屬隨后的加工和使用性能影響很大。用性能影響很大。 與合金相比，純金屬的結(jié)晶比較簡單。與合金相比，純金屬的結(jié)晶比較簡單。第2章 純金屬的結(jié)晶金屬結(jié)晶的現(xiàn)象；金屬結(jié)晶的現(xiàn)象；金屬結(jié)

2、晶的熱力學(xué)條件；金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件；金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件；金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件；晶核的形成；晶核的形成；晶核長大。晶核長大。 本章的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：本章的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：2.1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象2.1.1 結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 熱分析方法：在液態(tài)金屬冷卻結(jié)晶過程中熱分析方法：在液態(tài)金屬冷卻結(jié)晶過程中, ,溫溫度與時間的變化關(guān)系曲線，從熱分析曲線可以度與時間的變化關(guān)系曲線，從熱分析曲線可以看到如下兩個宏觀特征：看到如下兩個宏觀特征： （1）過冷現(xiàn)象）過冷現(xiàn)象 實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度T1低于理論低于理論結(jié)晶溫度結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 過冷度：過冷度：T = T0 - T1 金屬純度

3、越高、冷卻速度金屬純度越高、冷卻速度越快，過冷度越大。越快，過冷度越大。純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖2.1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象2.1.1 結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 1mol物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)槲镔|(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相時，伴隨著放出和吸另一個相時，伴隨著放出和吸收的熱量稱為收的熱量稱為相變潛熱相變潛熱。 金屬結(jié)晶放出熱量。結(jié)晶金屬結(jié)晶放出熱量。結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了散失到環(huán)境的熱量，潛熱補(bǔ)償了散失到環(huán)境的熱量，保持結(jié)晶過程體系溫度不變，保持結(jié)晶過程體系溫度不變，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺。 結(jié)晶時間結(jié)晶時間 = tf - tststf結(jié)晶開始結(jié)晶開始結(jié)晶結(jié)束結(jié)

4、晶結(jié)束（2）結(jié)晶潛熱：）結(jié)晶潛熱：2.1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象2.1.2 金屬結(jié)晶的微觀過程金屬結(jié)晶的微觀過程 當(dāng)液態(tài)金屬冷卻至實際結(jié)晶溫度時，晶核并未當(dāng)液態(tài)金屬冷卻至實際結(jié)晶溫度時，晶核并未立即出生，而是經(jīng)過了一定時間后才開始出現(xiàn)第一立即出生，而是經(jīng)過了一定時間后才開始出現(xiàn)第一批晶核。結(jié)晶開始前的這段停留時間稱為批晶核。結(jié)晶開始前的這段停留時間稱為孕育期孕育期。隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，與此同隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，與此同時，液態(tài)金屬中又繼續(xù)產(chǎn)生新的晶核。就這樣，液時，液態(tài)金屬中又繼續(xù)產(chǎn)生新的晶核。就這樣，液態(tài)金屬中不斷形核、不斷長大，使液態(tài)金屬越來越態(tài)金屬中不斷形核、不

5、斷長大，使液態(tài)金屬越來越少，直到各個小晶體相互接觸，液態(tài)金屬耗盡，結(jié)少，直到各個小晶體相互接觸，液態(tài)金屬耗盡，結(jié)晶過程結(jié)束。晶過程結(jié)束。 2.1 金屬結(jié)晶的現(xiàn)象2.1.2 金屬結(jié)晶的微觀過程金屬結(jié)晶的微觀過程 純金屬結(jié)晶過程意圖純金屬結(jié)晶過程意圖 一個晶核長成的小晶體就是一個晶粒。晶核隨機(jī)形成，一個晶核長成的小晶體就是一個晶粒。晶核隨機(jī)形成，晶粒位向不同，眾多晶粒組成一塊多晶體。晶粒位向不同，眾多晶粒組成一塊多晶體。 如果只有一個晶核形成并長大，得到一塊單晶體。如果只有一個晶核形成并長大，得到一塊單晶體。2.2 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 金屬各相的狀態(tài)都有其相應(yīng)的自由能。物質(zhì)的最穩(wěn)金屬各相的狀態(tài)都

6、有其相應(yīng)的自由能。物質(zhì)的最穩(wěn)定狀態(tài)一定是其自由能最低狀態(tài)。物質(zhì)由一個高自定狀態(tài)一定是其自由能最低狀態(tài)。物質(zhì)由一個高自由能狀態(tài)向一個低自由能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是自發(fā)的，轉(zhuǎn)由能狀態(tài)向一個低自由能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是自發(fā)的，轉(zhuǎn)變前后的自由能差就成為該轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。變前后的自由能差就成為該轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。 無論金屬是液態(tài)還是固態(tài)，其自由能均隨溫度和壓無論金屬是液態(tài)還是固態(tài)，其自由能均隨溫度和壓力的變化而變化，即：力的變化而變化，即： dG = VdP - SdT 式中：式中：G為自由能；為自由能；V為體積；為體積；P為壓力；為壓力；S是熵；是熵；T為熱力學(xué)溫度。為熱力學(xué)溫度。 如果壓力為常數(shù)，即如果壓力為常數(shù)，即dP

7、= 0，則有，則有:SdTdG2.2 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 熵的物理意義是表征系統(tǒng)中原子排列混亂程度的參熵的物理意義是表征系統(tǒng)中原子排列混亂程度的參數(shù)。熵值永遠(yuǎn)是正數(shù)，所以金屬無論是液態(tài)還是固數(shù)。熵值永遠(yuǎn)是正數(shù)，所以金屬無論是液態(tài)還是固態(tài)，系統(tǒng)的自由能總是隨溫度的提高而降低。態(tài)，系統(tǒng)的自由能總是隨溫度的提高而降低。 溫度升高，原子活動能力提高，溫度升高，原子活動能力提高，原子排列混亂程度增加，熵值增原子排列混亂程度增加，熵值增加，所以系統(tǒng)自由能的下降速度加，所以系統(tǒng)自由能的下降速度隨溫度的升高而提高。隨溫度的升高而提高。 液態(tài)金屬原子排列混亂程度大于液態(tài)金屬原子排列混亂程度大于固態(tài)，即固態(tài)，即

8、SLSS，所以液相自由，所以液相自由能曲線的斜率大于固相。能曲線的斜率大于固相。0T0TGLGSGSdTdG2.2 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 只有溫度低于只有溫度低于T0 ，固態(tài)金屬的，固態(tài)金屬的自由能才低于液態(tài)金屬，結(jié)晶自由能才低于液態(tài)金屬，結(jié)晶才能自發(fā)進(jìn)行，所以金屬結(jié)晶才能自發(fā)進(jìn)行，所以金屬結(jié)晶一定要低于理論結(jié)晶溫度，即一定要低于理論結(jié)晶溫度，即一定要有過冷度。一定要有過冷度。 過冷度越大，液固兩相自由能過冷度越大，液固兩相自由能差越大，相變驅(qū)動力越大，結(jié)差越大，相變驅(qū)動力越大，結(jié)晶速度越快。晶速度越快。 在某一溫度下，液固兩相自由能相等，具有同樣在某一溫度下，液固兩相自由能相等，具有同樣的穩(wěn)

9、定性，這一溫度就是理論結(jié)晶溫度的穩(wěn)定性，這一溫度就是理論結(jié)晶溫度T0。0T0TGLGSGT1TG = GS - GL002.3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 液體原子結(jié)構(gòu)在幾個原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，液體原子結(jié)構(gòu)在幾個原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，而長程是無序的。而長程是無序的。 液體結(jié)構(gòu)中配位數(shù)一般為液體結(jié)構(gòu)中配位數(shù)一般為511個個 ，低于固態(tài)晶體。，低于固態(tài)晶體。 液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中，主要為四面體間隙液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中，主要為四面體間隙 。晶坯晶坯晶核晶核長大長大晶體晶體液體液體液體的結(jié)構(gòu)特征液體的結(jié)構(gòu)特征液態(tài)金屬中近程有序的原子集團(tuán)處于瞬間出現(xiàn)、瞬液態(tài)金屬中近程有序的原子集團(tuán)處于瞬間

10、出現(xiàn)、瞬間消失、此起彼伏、變化不定的狀態(tài)中。這種不斷間消失、此起彼伏、變化不定的狀態(tài)中。這種不斷變化著的近程有序原子集團(tuán)稱為變化著的近程有序原子集團(tuán)稱為結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏，或相起，或相起伏。伏。2.3 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 在某一溫度下，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)起伏有一個最大尺寸在某一溫度下，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)起伏有一個最大尺寸rmax。溫度越低（過冷度越大），則。溫度越低（過冷度越大），則rmax越大。越大。只有在過冷液體中出現(xiàn)尺寸較大的結(jié)構(gòu)起伏，才有只有在過冷液體中出現(xiàn)尺寸較大的結(jié)構(gòu)起伏，才有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。這些結(jié)構(gòu)起伏就是晶核的坯芽，可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。這些結(jié)構(gòu)起伏就是晶核的坯芽，稱為晶坯。稱為晶坯。結(jié)構(gòu)起伏是液態(tài)金

11、屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件。只有在過冷結(jié)構(gòu)起伏是液態(tài)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件。只有在過冷液體中的結(jié)構(gòu)起伏才能成為晶坯，但不是所有晶坯液體中的結(jié)構(gòu)起伏才能成為晶坯，但不是所有晶坯都能變?yōu)榫Ш?，還要滿足能量條件。都能變?yōu)榫Ш?，還要滿足能量條件。2.4 晶核的形成 液態(tài)金屬形核可能有兩種方式：一種是均勻形核；液態(tài)金屬形核可能有兩種方式：一種是均勻形核；另一種是非均勻形核。另一種是非均勻形核。若體系中各個區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的，若體系中各個區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的，這種形核方式即為均勻形核。這種形核方式即為均勻形核。新相優(yōu)先出現(xiàn)于母相中的某些區(qū)域稱為非均勻形核。新相優(yōu)先出現(xiàn)于母相中的某些區(qū)域稱為非均

12、勻形核。2.4 晶核的形成 為什么晶坯必須達(dá)到某一臨界尺寸才能自發(fā)長大，為什么晶坯必須達(dá)到某一臨界尺寸才能自發(fā)長大，成為晶核？成為晶核？形核驅(qū)動力：體系自由能降低。形核驅(qū)動力：體系自由能降低。形核阻力：晶坯構(gòu)成新表面，產(chǎn)生表面能。形核阻力：晶坯構(gòu)成新表面，產(chǎn)生表面能。2.4.1 均勻形核均勻形核（1）形核時的能量變化）形核時的能量變化系統(tǒng)自由能總變化為：系統(tǒng)自由能總變化為：G = V GV + S式中：式中： V為晶坯的體積；為晶坯的體積； S為表面積；為表面積； GV為液固兩相為液固兩相單位體積自由能差；單位體積自由能差； 為單位面積表面能。為單位面積表面能。2.4 晶核的形成假設(shè)過冷液體中

13、出現(xiàn)一個假設(shè)過冷液體中出現(xiàn)一個半徑為半徑為r的球狀晶坯，的球狀晶坯，則有則有：在在G r曲線中出現(xiàn)了一個極大值，對應(yīng)的晶坯半曲線中出現(xiàn)了一個極大值，對應(yīng)的晶坯半徑徑r*為臨界形核半徑為臨界形核半徑。2.4.1 均勻形核均勻形核（1）形核時的能量變化）形核時的能量變化G = (4/3)r3GV + 4r2r*界面能界面能r2自由能差自由能差r3r0G2.4 晶核的形成對上面的公式進(jìn)行微分并令其等于零，對上面的公式進(jìn)行微分并令其等于零，則有則有：熱力學(xué)計算表明：熱力學(xué)計算表明：2.4.1 均勻形核均勻形核（1）形核時的能量變化）形核時的能量變化 r* = 2/GVGV = ( Lm T )/Tm式

14、中：式中： Lm為熔化潛熱；為熔化潛熱； Tm為理論結(jié)晶溫度。為理論結(jié)晶溫度。 因此有：因此有： r* = (2Tm) /LmT與與T成反比成反比2.4 晶核的形成2.4.1 均勻形核均勻形核（1）形核時的能量變化）形核時的能量變化Tr*0Tr0rmaxr*T*臨界形核半徑與過冷度的關(guān)系臨界形核半徑與過冷度的關(guān)系最大晶坯尺寸最大晶坯尺寸rmax和臨界形核和臨界形核半徑半徑r*與過冷度的關(guān)系與過冷度的關(guān)系T* 0.2 Tm2.4 晶核的形成2.4.1 均勻形核均勻形核（2）形核功）形核功在在r r0時，體系自由能的時，體系自由能的總變化一直是正值，因此形總變化一直是正值，因此形核必須靠外界提供能

15、量。當(dāng)核必須靠外界提供能量。當(dāng)r = r*時，時，G為最大值為最大值G *。r*界面能界面能r2自由能差自由能差r3r0Gr0G*=1/3S*，其中：，其中：S*=4r*2為臨界晶核表面積。為臨界晶核表面積。 形成臨界晶核時，體積自由能下降只補(bǔ)償了表面能的形成臨界晶核時，體積自由能下降只補(bǔ)償了表面能的2/3，剩余，剩余表面能需要另外共給，即需要對形核作功，稱表面能需要另外共給，即需要對形核作功，稱G *為形核功為形核功。2.4 晶核的形成2.4.1 均勻形核均勻形核（2）形核功）形核功形核功從哪里來？形核功從哪里來？ 從金屬液體的能量起伏來。從金屬液體的能量起伏來。G*=163Tm2 / 3L

16、m2 T2液體微區(qū)之間的能量不相同，處于此起彼伏、變液體微區(qū)之間的能量不相同，處于此起彼伏、變化不定的狀態(tài)。這種微區(qū)內(nèi)暫時偏離平衡能量的化不定的狀態(tài)。這種微區(qū)內(nèi)暫時偏離平衡能量的現(xiàn)象即為現(xiàn)象即為能量起伏能量起伏。形核功與過冷度的平方成反比關(guān)系。過冷度增大，形核功與過冷度的平方成反比關(guān)系。過冷度增大，臨界形核功降低，結(jié)晶易于進(jìn)行。臨界形核功降低，結(jié)晶易于進(jìn)行。2.4 晶核的形成2.4.1 均勻形核均勻形核（3）形核率）形核率單位時間單位體積液體中形成的晶核數(shù)目單位時間單位體積液體中形成的晶核數(shù)目 (N)。形核率受兩方面因素控制：受形核功影響的形核形核率受兩方面因素控制：受形核功影響的形核率因子率

17、因子N1隨過冷度增加而增加；受原子擴(kuò)散影響隨過冷度增加而增加；受原子擴(kuò)散影響的形核率因子的形核率因子N2隨過冷度增加而減小隨過冷度增加而減小。過冷度較小時，形核功過大；過冷度較大時，原過冷度較小時，形核功過大；過冷度較大時，原子不易擴(kuò)散。所以在一個適當(dāng)?shù)倪^冷度下，形核子不易擴(kuò)散。所以在一個適當(dāng)?shù)倪^冷度下，形核率最大。率最大。 0TNNN1N22.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（1）臨界晶核半徑和形核功）臨界晶核半徑和形核功非均勻形核減小了形核阻力。非均勻形核減小了形核阻力。cosLL)cos1 (221rS222sinrS 221SSSGLLSSVGGVG)4coscos32)

18、(434(323LVrGrG)coscos32(3133rV2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（1）臨界晶核半徑和形核功）臨界晶核半徑和形核功非均勻形核臨界球冠半徑與均非均勻形核臨界球冠半徑與均勻形核的臨界半徑是相等的：勻形核的臨界半徑是相等的：)4coscos32(431*322LkrGTLTGrmmLVL22*非均勻形核臨界形核功小于均勻形核臨界形核功。非均勻形核臨界形核功小于均勻形核臨界形核功。越小，越小，G*越小，非均勻形核越容易，需要的過越小，非均勻形核越容易，需要的過冷度也越小。冷度也越小。2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率過冷度

19、對形核率的影響：過冷度對形核率的影響： 過冷度對非均勻形核的形過冷度對非均勻形核的形核率的影響規(guī)律與均勻形核相核率的影響規(guī)律與均勻形核相同，都存在一個達(dá)到最大形核同，都存在一個達(dá)到最大形核率的過冷度值。但非均勻形核率的過冷度值。但非均勻形核需要的這個過冷度（需要的這個過冷度（Tmax）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于均勻形核遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于均勻形核（Tmax） （大約僅為（大約僅為1/10）。形核率形核率 NTmax0.02Tm0.2TmTmaxT0形核率隨過冷度的變化形核率隨過冷度的變化2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)對形核率的影響：固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)對形核率的影響：非均勻形核率

20、非均勻形核率臨界形核功臨界形核功G* )4coscos32(431*322LkrG潤濕角潤濕角 LLcos晶核與固態(tài)質(zhì)點的晶核與固態(tài)質(zhì)點的界面能界面能 固相雜質(zhì)與晶核滿足固相雜質(zhì)與晶核滿足點陣匹配原理點陣匹配原理結(jié)構(gòu)相似，尺寸相當(dāng)結(jié)構(gòu)相似，尺寸相當(dāng)形核劑（活性質(zhì)點）形核劑（活性質(zhì)點）2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)對形核率的影響：固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)對形核率的影響： 在鑄造生產(chǎn)中，往往在澆注前加入形核劑，增在鑄造生產(chǎn)中，往往在澆注前加入形核劑，增加非均勻形核率，細(xì)化晶粒。加非均勻形核率，細(xì)化晶粒。鋯能促進(jìn)鎂的形核鋯能促進(jìn)鎂的形核(HCP)鐵能促進(jìn)銅的形

21、核鐵能促進(jìn)銅的形核(FCC)鈦鈦 (HCP)能促進(jìn)鋁能促進(jìn)鋁(FCC)的形核的形核TiAl3(正方正方)的的(001)面面鋁鋁(FCC)的的(001)面面匹配匹配2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率固體雜質(zhì)形貌對形核率的影響：固體雜質(zhì)形貌對形核率的影響：三個不同形貌的固體雜質(zhì)表面分別形成一個晶核，三個不同形貌的固體雜質(zhì)表面分別形成一個晶核，它們有相同的曲率半徑它們有相同的曲率半徑r和相同的和相同的角，但三個晶核角，但三個晶核的體積不同。的體積不同。凹曲面的形核效率最高，因為較小體積的晶坯便可凹曲面的形核效率最高，因為較小體積的晶坯便可達(dá)到臨界晶核半徑，導(dǎo)致形核

22、所需過冷度較小。達(dá)到臨界晶核半徑，導(dǎo)致形核所需過冷度較小。不同形狀的固體表面形核的晶核體積比較不同形狀的固體表面形核的晶核體積比較 2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率過熱度對形核率的影響：過熱度對形核率的影響：過熱度是指固相質(zhì)點熔點與液態(tài)金屬溫度之差。過熱度是指固相質(zhì)點熔點與液態(tài)金屬溫度之差。過熱度不大時，不改變固相質(zhì)點表面，不影響形核。過熱度不大時，不改變固相質(zhì)點表面，不影響形核。過熱度較大時，改變固相質(zhì)點表面，形核率降低。過熱度較大時，改變固相質(zhì)點表面，形核率降低。過熱度很大時，固相質(zhì)點熔化，變?yōu)榫鶆蛐魏?。過熱度很大時，固相質(zhì)點熔化，變?yōu)榫鶆蛐魏恕Ｕ駝雍?/p>

23、攪拌有利于形核率的提高。振動和攪拌有利于形核率的提高。2.4 晶核的形成2.4.2 非均勻形核非均勻形核（2）形核率）形核率金屬的結(jié)晶形核有以下要點金屬的結(jié)晶形核有以下要點：過冷度要大于臨界過冷度，晶坯尺寸要大于臨界晶核半徑。過冷度要大于臨界過冷度，晶坯尺寸要大于臨界晶核半徑。臨界晶核半徑與晶核表面能成正比，與過冷度成反比。臨界晶核半徑與晶核表面能成正比，與過冷度成反比。形核既需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏。形核既需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏。形核需要原子擴(kuò)散，因此必須在一定溫度下進(jìn)行。形核需要原子擴(kuò)散，因此必須在一定溫度下進(jìn)行。在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)金屬總是以非均勻形核方式凝固。在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)

24、金屬總是以非均勻形核方式凝固。 2.12.4小結(jié)金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象和基本過程金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象和基本過程金屬結(jié)晶的能量條件金屬結(jié)晶的能量條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的形核：動力和阻力分析金屬結(jié)晶的形核：動力和阻力分析 臨界形核半徑與臨界形核功臨界形核半徑與臨界形核功金屬結(jié)晶非均勻形核的形核率影響因素金屬結(jié)晶非均勻形核的形核率影響因素2.5 晶核長大晶體長大的微觀過程晶體長大的微觀過程： 原子由液相中擴(kuò)散到晶體表面，與晶體牢固結(jié)合。原子由液相中擴(kuò)散到晶體表面，與晶體牢固結(jié)合。 晶體長大的條件晶體長大的條件： 液相不斷地向晶體擴(kuò)散供應(yīng)原子，晶體表面不斷而牢液相不斷地向晶體擴(kuò)散供

25、應(yīng)原子，晶體表面不斷而牢固地接納這些原子。固地接納這些原子。 晶體長大的影響因素晶體長大的影響因素： 晶核的界面結(jié)構(gòu)、界面附近的溫度分布、結(jié)晶潛熱的晶核的界面結(jié)構(gòu)、界面附近的溫度分布、結(jié)晶潛熱的釋放和逸散條件。釋放和逸散條件。 晶體長大方式晶體長大方式晶體形態(tài)晶體形態(tài)結(jié)晶組織結(jié)晶組織晶體性能晶體性能2.5 晶核長大2.5.1 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)從顯微尺度來看，光滑界面呈參從顯微尺度來看，光滑界面呈參差不齊的鋸齒面，界面兩側(cè)的固差不齊的鋸齒面，界面兩側(cè)的固液兩相是截然分開的；從原子尺液兩相是截然分開的；從原子尺度看，這種界面是光滑平整的。度看，這種界面是光滑平整的。（1）光滑界

26、面）光滑界面光滑界面通常為固相的密排面。光滑界面通常為固相的密排面。由于這種界面呈曲折的鋸齒狀，由于這種界面呈曲折的鋸齒狀，又稱為小平面界面。又稱為小平面界面。固相固相液相液相光滑界面微觀結(jié)構(gòu)光滑界面微觀結(jié)構(gòu)2.5 晶核長大2.5.1 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)從顯微尺度來看，粗糙界面是平從顯微尺度來看，粗糙界面是平整的；從原子尺度看，這種界面整的；從原子尺度看，這種界面高低不平，并存在著厚度為幾個高低不平，并存在著厚度為幾個原子間距的過渡層。過渡層內(nèi)，原子間距的過渡層。過渡層內(nèi)，液固兩相原子犬牙交錯分布，所液固兩相原子犬牙交錯分布，所以稱為粗糙界面，也叫非小平面以稱為粗糙界面，也叫

27、非小平面界面。界面。（2）粗糙界面）粗糙界面粗糙界面微觀結(jié)構(gòu)粗糙界面微觀結(jié)構(gòu)液相液相固相固相2.5 晶核長大2.5.1 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)從宏觀上看，固液界面是靜止的，從原子尺度看，從宏觀上看，固液界面是靜止的，從原子尺度看，固相原子不斷離開界面進(jìn)入液相，同時液相原子不固相原子不斷離開界面進(jìn)入液相，同時液相原子不斷進(jìn)入固相晶格。斷進(jìn)入固相晶格。如果界面上有近如果界面上有近50%50%的位置被固相原子所占據(jù)，則的位置被固相原子所占據(jù)，則形成粗糙界面；如果界面上近于形成粗糙界面；如果界面上近于0%0%或或100%100%的位置被的位置被固相原子所占據(jù)，則形成光滑界面固相原子所占據(jù)

28、，則形成光滑界面。一般金屬和某些有機(jī)物的固液界面為粗糙界面；許一般金屬和某些有機(jī)物的固液界面為粗糙界面；許多有機(jī)和無機(jī)化合物的固液界面為多有機(jī)和無機(jī)化合物的固液界面為光滑界面光滑界面。2.5 晶核長大2.5.2 晶體長大機(jī)制晶體長大機(jī)制依靠液相中的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，在光滑表面上依靠液相中的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏，在光滑表面上首先同時形成一個厚度為一個原子層并且尺寸大于首先同時形成一個厚度為一個原子層并且尺寸大于臨界晶核半徑的晶核，即二維晶核。臨界晶核半徑的晶核，即二維晶核。二維晶核穩(wěn)定形成的條件是原子集團(tuán)帶來的體系自二維晶核穩(wěn)定形成的條件是原子集團(tuán)帶來的體系自由能降低必須大于其表面能的增加。由能

29、降低必須大于其表面能的增加。（1）二維晶核長大機(jī)制）二維晶核長大機(jī)制后續(xù)原子在二維晶核與光滑表面的臺階處形成并沿后續(xù)原子在二維晶核與光滑表面的臺階處形成并沿光滑表面鋪展，形成新的光滑表面，再形成二維晶光滑表面鋪展，形成新的光滑表面，再形成二維晶核，重復(fù)進(jìn)行。這種方式的長大速度非常緩慢。核，重復(fù)進(jìn)行。這種方式的長大速度非常緩慢。光滑表面光滑表面二維晶核二維晶核2.5 晶核長大2.5.2 晶體長大機(jī)制晶體長大機(jī)制螺型位錯在晶體表面露頭可形成臺階。液相原子在螺型位錯在晶體表面露頭可形成臺階。液相原子在此臺階處沿光滑表面螺旋生長，使晶體長大。此臺階處沿光滑表面螺旋生長，使晶體長大。如臺階各點原子沿晶體

30、表面向前移動的線速度相等，如臺階各點原子沿晶體表面向前移動的線速度相等，則各點相對臺階起始點的角速度不同。則各點相對臺階起始點的角速度不同。（2）螺型位錯長大機(jī)制）螺型位錯長大機(jī)制臺階每橫掃晶體表面一次，晶體就增厚一個原子間臺階每橫掃晶體表面一次，晶體就增厚一個原子間距。由于臺階中心回旋速度快，突出生長，形成螺距。由于臺階中心回旋速度快，突出生長，形成螺釘狀晶體。釘狀晶體。2.5 晶核長大2.5.2 晶體長大機(jī)制晶體長大機(jī)制在粗糙界面上，幾乎一半位置很容易接納液相原子，在粗糙界面上，幾乎一半位置很容易接納液相原子，與晶體連接起來。液相原子的添加不改變界面的性質(zhì)，與晶體連接起來。液相原子的添加不

31、改變界面的性質(zhì)，所以液相原子可以連續(xù)地向界面垂直添加。這種長大所以液相原子可以連續(xù)地向界面垂直添加。這種長大方式稱為垂直長大。方式稱為垂直長大。由于界面各位置接納液相原子的能力是等效的，所以由于界面各位置接納液相原子的能力是等效的，所以在粗糙界面上的所有位置都是生長位置。在粗糙界面上的所有位置都是生長位置。（3）垂直長大機(jī)制）垂直長大機(jī)制垂直長大速度很快，大部分金屬晶體以這種方式長大。垂直長大速度很快，大部分金屬晶體以這種方式長大。2.5 晶核長大2.5.2 晶體長大機(jī)制晶體長大機(jī)制三種晶體長大機(jī)制的生長速度和過冷度的關(guān)系三種晶體長大機(jī)制的生長速度和過冷度的關(guān)系2.5 晶核長大2.5.3 固液

32、界面前沿液體中的溫度梯度固液界面前沿液體中的溫度梯度正溫度梯度是指液相中的溫度隨至界面距離的增正溫度梯度是指液相中的溫度隨至界面距離的增加而提高的溫度分布狀況。加而提高的溫度分布狀況。液態(tài)金屬一般在鑄型壁形液態(tài)金屬一般在鑄型壁形核，結(jié)晶潛熱通過型壁散核，結(jié)晶潛熱通過型壁散出，溶液中心溫度最高，出，溶液中心溫度最高，形成正溫度梯度。形成正溫度梯度。（1）正溫度梯度）正溫度梯度界面界面過冷度過冷度溫度溫度2.5 晶核長大2.5.3 固液界面前沿液體中的溫度梯度固液界面前沿液體中的溫度梯度負(fù)溫度梯度是指液相中的溫度隨至界面距離的增負(fù)溫度梯度是指液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低的溫度分布狀況。加而

33、降低的溫度分布狀況。固液界面結(jié)晶釋放出的固液界面結(jié)晶釋放出的結(jié)晶潛熱可以通過固相結(jié)晶潛熱可以通過固相和型壁散出，也可以通和型壁散出，也可以通過未結(jié)晶的液體散出。過未結(jié)晶的液體散出。導(dǎo)致液固界面溫度最高，導(dǎo)致液固界面溫度最高，形成負(fù)溫度梯度。形成負(fù)溫度梯度。（2）負(fù)溫度梯度）負(fù)溫度梯度溫度溫度界面界面過冷度過冷度2.5 晶核長大2.5.4 晶體生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)晶體形態(tài)是晶體生長方式的結(jié)果。晶體形態(tài)十分晶體形態(tài)是晶體生長方式的結(jié)果。晶體形態(tài)十分復(fù)雜。自然界中自然形成的各種晶體形態(tài)千變?nèi)f復(fù)雜。自然界中自然形成的各種晶體形態(tài)千變?nèi)f化?；?。晶體形態(tài)與下面幾個因素有關(guān)：晶

34、體形態(tài)與下面幾個因素有關(guān)：（1 1）生長界面的微觀結(jié)構(gòu)；）生長界面的微觀結(jié)構(gòu)；（2 2）晶體生長機(jī)制；）晶體生長機(jī)制；（3 3）界面前沿的溫度分布；）界面前沿的溫度分布；（4 4）晶體生長動力學(xué)規(guī)律。）晶體生長動力學(xué)規(guī)律。2.5 晶核長大2.5.4 晶體生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)光滑界面在微觀上由一光滑界面在微觀上由一些晶體學(xué)小平面組成，些晶體學(xué)小平面組成，宏觀上平行于理論結(jié)晶宏觀上平行于理論結(jié)晶溫度溫度Tm等溫面。等溫面。（1）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)光滑界面生長形態(tài)光滑界面生長形態(tài)距離距離界面界面固固液液0TTm2.5 晶核長大

35、2.5.4 晶體生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)組成光滑界面的晶體學(xué)小平面具組成光滑界面的晶體學(xué)小平面具有不同的原子排列密度。原子密有不同的原子排列密度。原子密度較小的晶面具有較大的生長速度較小的晶面具有較大的生長速度。生長結(jié)果是非密排面逐漸被度。生長結(jié)果是非密排面逐漸被密排面所取代，最終只剩下密排密排面所取代，最終只剩下密排面作為晶體表面，導(dǎo)致晶體具有面作為晶體表面，導(dǎo)致晶體具有規(guī)則幾何外形。規(guī)則幾何外形。（1）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)光滑界面生長形態(tài)光滑界面生長形態(tài)晶體形狀與各界面晶體形狀與各界面長大速度關(guān)系長大速度關(guān)系 2.5 晶核

36、長大2.5.4 晶體生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)（1）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)）在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)粗糙界面生長形態(tài)粗糙界面生長形態(tài)粗糙界面平行于粗糙界面平行于Tm等溫面。晶等溫面。晶體成長需要的過冷度很小，界體成長需要的過冷度很小，界面均勻一致地向液相推移。在面均勻一致地向液相推移。在這種條件下，界面移動完全取這種條件下，界面移動完全取決于散熱條件，具有平面狀長決于散熱條件，具有平面狀長大形態(tài)，又稱為平面長大方式。大形態(tài)，又稱為平面長大方式。距離距離界面界面固固液液0TTm2.5 晶核長大2.5.4 晶體生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)

37、（2）在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài)）在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài)在負(fù)的溫度梯度下，液固界面會形成許多伸向過在負(fù)的溫度梯度下，液固界面會形成許多伸向過冷液相的結(jié)晶主軸（稱為一次晶軸），在其上又冷液相的結(jié)晶主軸（稱為一次晶軸），在其上又形成二次晶軸，三次晶軸形成二次晶軸，三次晶軸。這些晶軸在空間形。這些晶軸在空間形成了類似樹枝狀的晶體，這種形態(tài)的晶體稱為成了類似樹枝狀的晶體，這種形態(tài)的晶體稱為樹樹枝晶枝晶，簡稱枝晶。，簡稱枝晶。面心立方和體心立方晶體的各次晶軸均沿面心立方和體心立方晶體的各次晶軸均沿晶向長大，各次晶軸之間相互垂直。晶向長大，各次晶軸之間相互垂直。2.5 晶核長大2.5.4 晶體

38、生長的界面狀態(tài)晶體生長的界面狀態(tài)-晶體形態(tài)晶體形態(tài)（2）在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài)）在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài)樹枝狀生長是具有粗糙界面樹枝狀生長是具有粗糙界面晶體最常見的生長方式，一晶體最常見的生長方式，一般金屬結(jié)晶，均以樹枝狀生般金屬結(jié)晶，均以樹枝狀生長方式長大。長方式長大。具有光滑界面即使在負(fù)溫度具有光滑界面即使在負(fù)溫度梯度下，仍有可能長成規(guī)則梯度下，仍有可能長成規(guī)則形狀晶體。形狀晶體。2.5 晶核長大2.5.5 長大速度長大速度晶體的長大速度與其生長機(jī)制有關(guān)：晶體的長大速度與其生長機(jī)制有關(guān)：過冷度對長大速度的影響：過冷度對長大速度的影響：垂直長大機(jī)制垂直長大機(jī)制螺型位錯長大機(jī)制螺

39、型位錯長大機(jī)制二維晶核長大機(jī)制二維晶核長大機(jī)制具有光滑界面的非金屬的長大速度隨過冷度增加先增加而具有光滑界面的非金屬的長大速度隨過冷度增加先增加而后下降，同時受結(jié)晶驅(qū)動力和源自擴(kuò)散能力的制約。后下降，同時受結(jié)晶驅(qū)動力和源自擴(kuò)散能力的制約。具有粗糙界面的金屬結(jié)晶溫度較高，形核和長大都快，不具有粗糙界面的金屬結(jié)晶溫度較高，形核和長大都快，不等過冷到較低溫度結(jié)晶就結(jié)束了，因此其的長大速度隨過等過冷到較低溫度結(jié)晶就結(jié)束了，因此其的長大速度隨過冷度增加而增加，一般不超過極大值。冷度增加而增加，一般不超過極大值。晶體生長的線速度晶體生長的線速度與過冷度的關(guān)系與過冷度的關(guān)系 2.5 晶核長大2.5.6 晶粒

40、大小的控制晶粒大小的控制在常溫下，金屬的晶粒越小，強(qiáng)度和硬度越高，在常溫下，金屬的晶粒越小，強(qiáng)度和硬度越高，同時塑性和韌性越好。同時塑性和韌性越好。晶粒平均直徑(mm)抗拉強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度 (MPa)延伸率 (%)9.71654028.87.01803830.62.52114439.50.202635748.80.162646550.70.1027811650.0晶粒大小對純鐵機(jī)械性能的影響晶粒大小對純鐵機(jī)械性能的影響2.5 晶核長大2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制有些金屬材料不能通過熱處理改變晶粒大小，因有些金屬材料不能通過熱處理改變晶粒大小，因此通過結(jié)晶條件控制晶粒大小十分重要。此通過結(jié)晶條件控制晶粒大小十分重要。晶粒大小取決于形核率和長大速度的相對大小。晶粒大小取決于形核率和長大速度的相對大小。形核率越大，同時長大速度越小，則晶粒越小。形核率越大，同時長大速度越小，則晶粒越小。單位體積中的晶粒數(shù)目單位體積中的晶粒數(shù)目ZV為：為：ZV = 0.9(N/G)3/4單位面積中的晶粒數(shù)目單位面積中的晶粒數(shù)目ZS為：為：ZS = 1.1(N/G)1/22.5 晶核長大2.5.6 晶粒大小的控制晶粒大小的控制工業(yè)生產(chǎn)中采用的細(xì)化晶粒方法：工業(yè)生產(chǎn)中采用的細(xì)化晶粒方法：快速冷卻快速冷卻 提高冷