金屬工藝學(xué)3.ppt

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1、第二章純金屬的結(jié)晶結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w金屬的過程——金屬生產(chǎn)的第一步本章目的：1.了解金屬結(jié)晶過程的形核、長大。2.理解金屬鑄錠的組織與缺陷。3.掌握金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件和結(jié)構(gòu)條件結(jié)晶概念:物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為～§1金屬的結(jié)晶純金屬結(jié)晶時(shí)的熱分析曲線特點(diǎn)：——冷卻曲線(T-t)低于熔點(diǎn)才發(fā)生結(jié)晶存在結(jié)晶平臺(tái)1金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象：(1)過冷現(xiàn)象金屬在低于熔點(diǎn)的溫度結(jié)晶的現(xiàn)象ΔT=Tm-Tn隨金屬的本性和純度，以及冷取速度不同在一定范圍內(nèi)變化(2)結(jié)晶過程伴隨潛熱釋放結(jié)晶

2、潛熱：液相結(jié)晶為固相時(shí)釋放的熱量。2金屬結(jié)晶的微觀過程:金屬結(jié)晶的微觀過程:（1）形核從液體中形成具有一定臨界尺寸的小晶體(晶核)的過程（2）長大晶核由小變大長成晶粒的過程——實(shí)際金屬最終形成多晶體注：單個(gè)晶粒由形核→長大多個(gè)晶粒形核與長大交錯(cuò)重疊**當(dāng)只有一個(gè)晶核時(shí)→單晶體**晶核越多，最終晶粒越細(xì)熱力學(xué)：研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度——轉(zhuǎn)變的可能性熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。即ΔG=G(轉(zhuǎn)變后)－G(轉(zhuǎn)變前)<0時(shí)轉(zhuǎn)變會(huì)自發(fā)進(jìn)行§2

3、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件G:體系自由能T:熱力學(xué)溫度S:熵，表征體系中原子排列混亂程度的參數(shù)純金屬恒壓條件下在液態(tài)、固態(tài)時(shí)的自由能GS、GL隨溫度的變化如下：斜率不同的原因：S液>S固結(jié)晶時(shí)只有存在ΔT才能保證：ΔGV=GS－GL<0從而使L→S┗結(jié)晶存在過冷度ΔT的原因——存在過冷度是結(jié)晶的必要條件過冷度:理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值另可推出：結(jié)晶潛熱——過冷度越大，相變驅(qū)動(dòng)力越大液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)原子間距等與固態(tài)相近,與氣態(tài)迥異(2)短距離的小范圍內(nèi)存在近似于固態(tài)結(jié)構(gòu)的規(guī)則排列——短程有

4、序晶體：長程有序結(jié)晶的實(shí)質(zhì)：由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序狀態(tài)的過程?！?金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件液相中近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)稱為“相起伏”相起伏特點(diǎn)：(1)瞬時(shí)出現(xiàn)，瞬時(shí)消失，此起彼伏;瞬時(shí)2瞬時(shí)1——又稱為結(jié)構(gòu)起伏。相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出現(xiàn)的幾率不同，過大或過小的相起伏出現(xiàn)幾率均小;(3)過冷度越大，最大相起伏尺寸越大?！^冷液體中的相起伏稱為晶胚液體中存在足夠大的穩(wěn)定晶坯即“晶核”┗結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件另：能量起伏條件形核方式分為：①均勻形核(自發(fā)形核、均質(zhì)形核)：依靠穩(wěn)定的原子集團(tuán)——相起伏

5、②非均勻形核(非自發(fā)形核、異質(zhì)形核)：晶核依附于液態(tài)金屬中現(xiàn)成的微小固相雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的表面形成?！?晶核的形成1均勻形核指從過冷液體中依靠穩(wěn)定的原子集團(tuán)自發(fā)形成晶核的過程.（1）臨界晶核半徑結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力：GS－GL結(jié)晶阻力：表面能假設(shè)晶胚體積為V,表面積為S，則系統(tǒng)總的自由能變化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ單位面積表面能液固兩相單位體積自由能假設(shè)晶胚為球體，半徑為r，則：ΔG=－4/3·πr3·ΔGV+4πr2·σ假設(shè)晶胚體積為V,表面積為S，則系統(tǒng)總的自由能變化：ΔG=－V·ΔGV+S·σ單位面積表面

6、能液固兩相單位體積自由能分析右圖：當(dāng)r>r0時(shí)，①系統(tǒng)的ΔG<0結(jié)晶過程可發(fā)生；——形成穩(wěn)定晶核②隨r↑，ΔG↓晶核長大為系統(tǒng)自由能降低過程；——晶核可長大r0當(dāng)r0,熱力學(xué)上結(jié)晶不可發(fā)生，但液相中結(jié)構(gòu)起伏的穩(wěn)定狀態(tài)不同：①當(dāng)r0,按熱力

7、學(xué)理論L→S不能發(fā)生，然而:rk：為臨界晶核尺寸原因:——過冷液體中存在能量起伏,其中高能區(qū)可能使ΔG<0。r0微分,求得：rk＝2σ/ΔGV＝2σ·Tm/(ΔHf·ΔT)——臨界晶核尺寸臨界晶核半徑與過冷度的關(guān)系：隨ΔT↑，rk↓；ΔTk:晶胚→晶核——臨界過冷度（2）形核功以及形核時(shí)的能量起伏現(xiàn)象事實(shí)上，當(dāng)r＝rk時(shí)系統(tǒng)的ΔG>0,此時(shí)：結(jié)晶總阻力形核功：過冷液體形核時(shí)的障礙ΔGk＝1/3·(4πr2k)·σ＝1/3·Sk·σ代入球形晶胚自由能表達(dá)式可得：事實(shí)上，只要r>rk,即為穩(wěn)定晶核。原

8、因：液體中除結(jié)構(gòu)起伏外，還存在能量起伏故形核功可以依靠能量起伏來補(bǔ)償結(jié)論：除結(jié)構(gòu)起伏外，形核還借助能量起伏條件形核功的影響因素：——隨ΔT↑，ΔG↓↓即：增大過冷度，可顯著降低形核阻力（3）形核率（N=cm-3s–1）：單位時(shí)間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目。意義:N越大，結(jié)晶后獲得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好。形核率控制因素:N=N1?N2N1─受形核功影響的因子；(ΔT↑,N1↑)N2─受擴(kuò)散控制的因子。(ΔT↑,N2↓)┗ΔT對(duì)N的影響矛盾、復(fù)雜實(shí)際純金屬：隨ΔT↑,