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《晶體生長界面穩(wěn)定性課件.ppt》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第七章結(jié)晶生長固液界面穩(wěn)定性晶體生長從宏觀上看是固液界面由固相向液相逐漸推進的過程。固液界面的穩(wěn)定性是指其在推進過程中保持平整性的能力。凝固過程形成的晶體形態(tài)歸結(jié)為晶體生長過程中固液界面的平整性失穩(wěn)。非小晶面相的生長各向異性不強，界面穩(wěn)定性主要取決于界面反應、傳熱、傳質(zhì)等因素的競爭。小晶面相的生長，受到晶體各向異性的強烈影響，如果把這種影響看做一種強干擾的話，同樣可以用固液界面的穩(wěn)定性理論來分析其結(jié)晶組織形態(tài)?！?.1單純由溫度場決定的固液界面穩(wěn)定性§7.1.1固液界面前方的局部溫度分布固液界面前方的溫度分布是控制晶體生長行為的重要因素之一。根據(jù)晶體生
2、長過程中傳熱特點不同，固液界面前沿存在兩種不同溫度分布形式。正溫度梯度分布負溫度梯度分布§7.1.2熱過冷及其對純金屬固液界面形態(tài)的影響§7.2合金固液界面前沿的成分過冷界面前方熔體中液相線溫度的變化規(guī)律a）K0＜1b）K0＞1§7.1.1成分過冷的概念根據(jù)是否存在溶質(zhì)原子的作用，在其固-液界面前方熔體內(nèi)可能產(chǎn)生兩種不同形式的過冷：熱過冷：僅由熔體實際溫度分布所決定的過冷狀態(tài)成分過冷：由溶質(zhì)再分配導致界面前方熔體成分及其凝固溫度發(fā)生變化而引起的過冷。由界面前方的實際溫度和熔體內(nèi)的液相線溫度分布兩者共同決定?！?.1.2成分過冷的形成條件“成分過冷”條件
3、和判據(jù)“成分過冷”的形成條件分析（K0＜1情況下)：→界面前沿形成溶質(zhì)富集層→液相線溫度TL(x‘)隨x’增大上升→當GL（界面前沿液相的實際溫度梯度）小于液相線的斜率時，即:出現(xiàn)“成分過冷”。液相中只有有限擴散時形成“成分過冷”的判據(jù)液相部分混合時形成“成分過冷”的判據(jù)界面前沿過冷度大小隨的函數(shù)為即：§7.1.3成分過冷度計算對求導，求最大過冷度，即求導最大過冷度為：最大出現(xiàn)在成分過冷的區(qū)域?qū)挾?，可設，，是描述“成分過冷”程度的兩個指標。成分過冷對一般單相合金結(jié)晶過程影響（1）無成分過冷的平面生長（2）窄成分過冷的胞狀生長（3）寬成分過冷下的枝晶生長
4、當合金成分一致時，隨值的減少，晶體形態(tài)由平面晶向胞狀晶向胞狀樹枝晶、柱狀樹枝和等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變?！?.1.3成分過冷對固液界面形態(tài)的影響(1)晶體平面狀生長的穩(wěn)定性當時，界面前方不存在成分過冷，界面將以平面生長方式生長。這種情況下，除了在晶體生長初期過渡階段和最后過渡階段界面要發(fā)生相應的溫度和成分變化外，在穩(wěn)定生長階段與純金屬相同。生長的結(jié)果將會在穩(wěn)定生長區(qū)內(nèi)獲得成分完全均勻的單相固溶體柱狀晶甚至單晶體。對純金屬晶體的平面生長：對一般單相合金晶體的平面生長：(2)晶體的胞狀生長一般單相合金晶體生長符合條件：界面前方存在著一個狹窄的成分過冷區(qū)，此時，破壞了
5、平面界面的穩(wěn)定性。宏觀平坦界面偶有突起，將面臨較大的過冷而以更快的速度進一步長大，同時向周圍排出溶質(zhì)。相鄰凸起之間的凹入部位的溶質(zhì)濃度比凸起前端增加的更快，而凹入部分的溶質(zhì)擴散到熔體深處更困難，故凸起快速長大的結(jié)果導致了凹入部位溶質(zhì)的進一步濃集。溶質(zhì)濃集降低了凹入部位熔體的液相線溫度和過冷度，抑制著凸起的橫向生長速度并形成一些由低熔點溶質(zhì)匯集區(qū)所構成的網(wǎng)絡狀溝槽。而凸起前端的生長則由于成分過冷區(qū)寬度的限制不能自由地向熔體前方伸展。當由于溶質(zhì)的濃集而使界面各處的液相成分達到相應溫度下的平衡濃度時（低于平衡溫度），界面形態(tài)趨于穩(wěn)定。在窄成分過冷區(qū)的作用下，
6、不穩(wěn)定的平坦就破裂成一種穩(wěn)定的、由許多近似于旋轉(zhuǎn)拋物面的凸出圓胞和網(wǎng)絡狀的凹陷溝槽所構成的新的界面形態(tài)，稱胞狀界面。以胞狀界面向前推進的生長方式稱為胞狀生長。胞狀生長的結(jié)果形成胞狀晶。鋁合金隨成分過冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過程a)平界面b)痘點狀界面c)狹長胞狀界面d)不規(guī)則胞狀界面e)六角形胞晶f)樹枝晶(3)晶體的枝狀晶生長在胞狀生長中，晶胞凸起垂直于等溫面生長，生長方向與熱流方向相反而與晶體學特性無關(4)內(nèi)生生長宏觀結(jié)晶狀態(tài)的轉(zhuǎn)變和等軸枝晶生長合金的宏觀結(jié)晶狀態(tài)外生生長內(nèi)生生長的轉(zhuǎn)變：由成分過冷的大小和外來質(zhì)點非均質(zhì)生核的能力決定。成分過
7、冷大，外來質(zhì)點非均質(zhì)生核能力強的利于內(nèi)生生長，即等軸枝晶的形成。（二）枝晶間距枝晶間距：相鄰同次分枝之間的垂直距離枝晶間距越小，組織越細密，分布于其間的元素偏析越小。HuntJ.D獲得一次間距為：岡本平確定的一次臂間距：二次間距：§7.3固液界面穩(wěn)定性的擾動分析理論為單位長度上的波數(shù)，即擾動的空間頻率假設擾動不影響溫度場和濃度場，則按照擾動理論，溶質(zhì)和溫度分布可以假設為擾動理論可以計算出穩(wěn)定發(fā)展的波長，其結(jié)果對于枝晶生長理論是非常重要的。的符號決定了固液界面的穩(wěn)定性。對于某一波數(shù)的擾動，如果為正，則該擾動將被逐漸放大，界面不穩(wěn)定；如果為負，則該擾動將被
8、逐漸衰減，界面是穩(wěn)定的。或簡化為界面溫度可以由局域平衡假設推導出來：界面波峰和波谷的溫度分別為
