二、純金屬的結(jié)晶.ppt

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1、第二章純金屬的結(jié)晶2.1金屬結(jié)晶的現(xiàn)象一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象8/2/20213金屬學(xué)與熱處理1.過冷現(xiàn)象金屬在結(jié)晶之前，溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到理論結(jié)晶溫度Tm(熔點)時，并未開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm之下某一溫度Tn，液態(tài)金屬才開始結(jié)晶。金屬的實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差，稱為過冷度。時間溫度0△T圖純金屬結(jié)晶時冷卻曲線示意圖TmTn2.結(jié)晶潛熱一摩爾物質(zhì)從一個相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€相時，隨著放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。當(dāng)液態(tài)金屬的溫度到達結(jié)晶溫度時，由于結(jié)晶潛熱的釋放，補償了散失到周圍環(huán)境的熱量，所以在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺，平臺延

2、續(xù)的時間就是結(jié)晶過程所用的時間。8/2/20214金屬學(xué)與熱處理二、金屬結(jié)晶的微觀過程即結(jié)晶過程是形核與長大的過程。結(jié)晶時首先在液體中形成具有某一臨界尺寸的晶核，然后這些晶核再不斷凝聚液體中的原子而長大。當(dāng)液態(tài)金屬過冷至理論結(jié)晶溫度以下的實際結(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)第一批晶核。隨著時間的推移，已形成的晶核不斷長大，與此同時，液態(tài)金屬中又產(chǎn)生第二批晶核。液態(tài)金屬中不斷形核、不斷長大，使液態(tài)金屬越來越少，直到各個晶體相互接觸，液態(tài)金屬耗盡，結(jié)晶過程便告結(jié)束。8/2/20215金屬學(xué)與熱處理2.2金屬結(jié)晶的熱力學(xué)

3、條件熱力學(xué)第二定律（自由能最低原理）：物質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)一定是其自由能最低的狀態(tài)?！鱃=GS-GLT>Tm，△G=GS-GL>0,液態(tài)；T=Tm，△G=GS-GL=0,兩相共存；T

4、晶的結(jié)構(gòu)條件圖金屬氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的原子排列示意圖8/2/202110金屬學(xué)與熱處理液體的結(jié)構(gòu)特征：液體中原子堆集是密集的，但排列不那么規(guī)則?！敖逃行颉保簭拇蠓秶矗优帕惺遣灰?guī)則的，但從局部微小區(qū)域來看，原子可以偶然地在某一瞬間內(nèi)出現(xiàn)規(guī)則的排列，然后又散開。液態(tài)結(jié)構(gòu)的最重要特征是原子排列為長程無序，短程有序，并且短程有序原子集團不是固定不變的，它是一種此消彼長，瞬息萬變，尺寸不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏或相起伏。溫度越低，結(jié)構(gòu)起伏尺寸越大。Rmax/nm0ΔT/℃圖最大相起伏尺寸與過冷度的關(guān)系8/2/202111金屬學(xué)與熱處理2.

5、4晶核的形成均勻形核（自發(fā)形核）：在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集團。當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，短程有序的原子集團變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個過程叫自發(fā)形核。非均勻形核（非自發(fā)形核）：實際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個過程叫非自發(fā)形核。8/2/202113金屬學(xué)與熱處理一、均勻形核1.均勻形核時的能量變化當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶胚時，一方面由于在這個區(qū)域中原子由液態(tài)的聚集狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的排列狀態(tài)，使體系內(nèi)的自由能降低ΔGv＜0，是相變的驅(qū)動力；另一方面，由

6、于晶胚構(gòu)成新的表面，又會引起表面自由能的增加，這構(gòu)成相變的阻力。在過冷的條件下，晶胚形成時，系統(tǒng)自由能的變化包括轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的那部分體積引起的自由能下降和形成晶胚與液相之間的界面引起的自由能(表面能)的增加。8/2/202114金屬學(xué)與熱處理8/2/202115金屬學(xué)與熱處理當(dāng)rrk時，晶胚的長大使系統(tǒng)自由能下降，這樣的晶胚可以長大。r=rk時，晶胚的長大趨勢等于消失趨勢。這樣的晶胚稱為臨界晶胚，rc稱為臨界晶核半徑。8/2/202116金屬學(xué)與熱處理ΔT/℃rk/nm0ΔT/℃r

7、max，rk/nmrmax圖臨界晶核半徑與過冷度的關(guān)系臨界晶核半徑和最大晶胚尺寸與過冷度的關(guān)系ΔTk臨界晶核半徑隨過冷度的增加而減小，而最大晶核半徑隨過冷度的增加而增加。ΔT<ΔTk時，rmaxΔTk時，rmax>rk，液態(tài)金屬的結(jié)晶易于進行。8/2/202117金屬學(xué)與熱處理2.形核功形成臨界晶核時自由能的變化ΔGk>0，這說明形成臨界晶核是需要能量的。形成臨界晶核所需的能量ΔGk稱為臨界形核功。8/2/202118金屬學(xué)與熱處理形成臨界晶核時自由能的

8、變化為正值，恰好等于臨界晶核表面能的1/3。形成臨界晶核時，體積自由能的下降只補償了表面能的2/3，還有1/3的表面能沒有得到補償，需要另外供給，即需要對形核作功，