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《第05講 金屬的凝固(1)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第二章金屬的凝固第05講131鑄造、焊接以及材料表面高能束處理等都與凝固過程有關(guān)。未來材料科學(xué)的革命，可望從凝固過程的研究中找到突破口。近年來，凝固技術(shù)及理論已成為熱點(diǎn)。本章從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，闡述液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理，并用其分析焊接接頭的形成過程。2312.1.1液態(tài)金屬的結(jié)晶過程1、液態(tài)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件結(jié)晶過程自發(fā)進(jìn)行必須滿足固相、液相吉布斯自由能之差GS-GL=ΔG＜0，必須使T＜Tm。這定性地說明了結(jié)晶必須過冷。過冷度越大，結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力越大。2.1純金屬的結(jié)晶圖2-1液相和固相自由能與溫度的關(guān)系3312.1.2晶核的形成金屬結(jié)晶時(shí)的形核
2、方式：均勻(或勻質(zhì))形核：在均勻的液相中靠自身的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏等條件形成晶核；非均勻(或非勻質(zhì))形核：依附在液體中的外來固體表面形成晶核。當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶核時(shí)，一方面由于在這個(gè)區(qū)域中原子由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，使體系內(nèi)的自由能降低，這是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，由于晶核構(gòu)成新的表面而增加了表面能，這成為結(jié)晶的阻力，則生成一個(gè)晶核所引起的系統(tǒng)總的自由能變化為：ΔG=ΔGB+ΔGS=VΔGV+A·σ4312.1.3晶體長大形成的穩(wěn)定晶核必然要長大，體系總自由能隨長大過程而降低是它的驅(qū)動(dòng)力。晶核長大過程是液相內(nèi)原子不斷向晶核表面遷移，固—液界面向液相推移的過程。從熱
3、力學(xué)考慮長大過程中應(yīng)該始終保持界面能的最低能態(tài)，為此要討論液—固界面什么狀態(tài)才是最低能態(tài)，這就牽涉界面能與界面結(jié)構(gòu)的關(guān)系。在這個(gè)問題上具有實(shí)用價(jià)值并被人們所接受的是杰克遜模型。531一、液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)粗糙界面：大多數(shù)金屬和某些化合物光滑界面：無機(jī)材料和一些有機(jī)高分子材料中間過渡狀態(tài)：包括類金屬和半導(dǎo)體如Bi（鉍）、Sb（銻）、Ga（鎵）、Ge（鍺）、Si等圖2-2液-固光滑界面與粗糙界面結(jié)構(gòu)示意圖（a）光滑界面（b）粗糙界面631二、晶體長大機(jī)制（1）光滑界面(宏觀為小平面界面)晶體：橫向生長一種是二維晶核臺(tái)階生長，首先在光滑界面上生成單原子厚的二維原
4、子集團(tuán)，稱為二維晶核。二維晶核的生成需要一定孕育期和臨界尺寸及形核功等，一旦在光滑界面上生成了二維晶核，就為液相原子的單原子遷移到晶體表面的臺(tái)階處提供了方便，圖2-3(a)、(b)；圖2-3光滑界面生長機(jī)制（a）界面生長的幾種原子位置（b）二維晶核生長（c）螺位錯(cuò)生長1—自由表面生長2—臺(tái)階生長3—扭轉(zhuǎn)生長731另一種是在螺旋位錯(cuò)在晶體表面的露頭所提供的臺(tái)階，特別是扭折，為液相原子向晶體表面上遷移提供了方便，圖2-10(a)、(c)。只有這樣才能在生長過程中始終保持界面能最低能態(tài)的光滑界面。但二維晶核長大機(jī)制有周期性，一個(gè)二維晶核橫向擴(kuò)展覆蓋完光滑界面后還需
5、要重新孕育生成新的二維晶核。因此它的生長是不連續(xù)的，晶體生長所需的界面前沿液體的過冷度——?jiǎng)討B(tài)過冷度較大。831（2）粗糙界面(宏觀上是平直界面或稱非小平面界面)的垂直生長在晶體長大過程中力求始終保持其粗糙狀態(tài)以維持其界面能最低。界面上有約一半的位置是空著的，容易隨機(jī)地接納由液相遷移到界面上的原子而不破壞界面的粗糙度。這種生長機(jī)制既不需要孕育期、臨界尺寸和形核功，也能保持高密度的臺(tái)階空位。它的生長是連續(xù)的垂直生長，相界面處生長的動(dòng)態(tài)過冷度也很小。這種生長機(jī)制適用于大多數(shù)金屬。931三、晶體生長形態(tài)（1）正溫度梯度——平面狀生長液態(tài)金屬在鑄模中結(jié)晶時(shí)，由于模壁
6、冷卻能力強(qiáng)，結(jié)晶潛熱和冷卻散熱靠模子吸熱和傳導(dǎo)散熱使靠近模壁的液體最先過冷而結(jié)晶。此時(shí)鑄模中心部位的液體溫度仍很高，必然造成界面前沿液體呈正溫度梯度分布[圖2-4(a)]。圖2-4界面前沿液體內(nèi)正溫度梯度1031在這種條件下，具有粗糙界面的晶體以垂直生長方式生長，界面均勻地向前推移，整個(gè)界面保持穩(wěn)定的平面狀，不產(chǎn)生明顯的局部前凸，與Tm等溫線保持平行。如液-固界面是光滑的小平面界面，并都與Tm等溫線呈一定角度。在以臺(tái)階的橫向擴(kuò)展方式生長時(shí)均不能超越Tm線，則界面由大臺(tái)階面逐步轉(zhuǎn)變成小的臺(tái)階平面，不會(huì)有明顯前凸，界面基本上呈平面狀與Tm等溫線平行（圖2-5）。
7、1131圖2-5正溫度梯度下純金屬的界面形態(tài)（a）光滑界面（b）粗糙界面1231（2）負(fù)溫度梯度——樹枝狀生長由于鑄模冷卻能力低，鑄模設(shè)計(jì)不合理及澆注溫度低等原因在界面前沿液體內(nèi)冷卻散熱及結(jié)晶潛熱既通過鑄模又通過液相散失，造成界面前沿液體內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫度梯度分布，見圖2-4(b)。圖2-4界面前沿液體內(nèi)負(fù)溫度梯度1331此種情況下，晶體生長的界面不能保持穩(wěn)定的平面狀，一旦界面局部出現(xiàn)前凸就將獲得更大的，生長速率便加快，即界面失穩(wěn)使凸出部位更加伸入到液體深處，同時(shí)在主晶軸(一次軸)上又長出二次軸、三次軸等等，形成如圖2-6所示的樹枝狀晶；圖2-6界面前沿液相溫度分
8、布與晶體生長形態(tài)（a）負(fù)溫度梯度（b）樹枝狀生長形態(tài)
