第六講晶核的長大

1、第六講 晶核的長大第五節(jié) 晶核長大一、主要內(nèi)容：液固界面的微觀結(jié)構(gòu)晶體的長大機制液固界面前沿液體中的溫度梯度晶體生長的界面形狀晶體形態(tài)長大速度晶粒大小的控制二、要點：液固界面的微觀結(jié)構(gòu)，光滑界面，粗糙界面的概念，杰克遜因子，不同金屬結(jié)晶時的液固界面，晶體的長大機制，二維晶核長大機制，螺型位錯長大機制，垂直長大機制，液固界面前沿液體中的溫度梯度，正溫度梯度，負溫度梯度。晶體生長的界面形狀，晶體形態(tài)，樹枝晶，等軸晶，長大速度，晶粒大小的控制三、方法說明：通過對液固界面的微觀結(jié)構(gòu)的討論，說明金屬型界面和非金屬型界面的不同，結(jié)晶后的晶界相界的形態(tài)也不同，即晶粒的形狀不同，晶粒的形狀和大小對金屬的性能有

2、直接影響。液相中的溫度梯度對金屬的生長速度和生長方式有直接的影響，通過以上的討論使學生對如何判斷金屬中的相，和如何得到所需的晶粒大小和形狀有一個清楚的認識。授課內(nèi)容：形核之后，晶體長大，其涉及到長大的形態(tài)，長大方式和長大速率。長大形態(tài)常反映出凝固后晶體的性質(zhì)，而長大方式?jīng)Q定了長大速率，也就是決定結(jié)晶動力學的重要因素。晶核長大的條件：第一要求液相能不斷的向晶體擴散供應原子， 第二要求晶體表面能夠不斷的牢固的接納這些原子。晶核長大需要在過冷的液體中進行，但是需要的過冷度要比形核時的小。一、 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)液固界面的微觀結(jié)構(gòu)分為兩類：光滑界面和粗糙界面1、 光滑界面：如圖，在界面的上部，所有原子

3、都處于液體狀態(tài)，在界面的下部所有的原子都處于固體狀態(tài)。這種界面通常為固相的密排面，呈曲折的鋸齒狀又稱為小平面界面。2、 粗糙界面：如圖，從微觀尺寸看這種界面是平整的，當從原子的尺度看這種界面是高低不平的，液固界面的原子犬牙交錯的分布著，所以又叫非小平面界面。3、 如果界面上有近0或100的位置為晶體原子所占有，則界面是光滑界面。界面自由能的變化可用公式表示：二、 晶體長大機制1、 二維晶核長大機制光滑界面時晶體的長大只能依靠二維形核機制方式長大。2、 螺型位錯長大機制晶體長大時，難免形成缺陷。實際上，具有光滑界面的晶體是以這種方式長大的，比二維機制方式長大快得多。3、 垂直長大機制垂直長大速度

4、很快，大部分金屬晶體均以這種方式長大。三、 固液界面前沿液體中的溫度梯度1、 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。2、 負溫度梯度：是指液相中的溫度隨至界面舉例的增加而降低的溫度分布狀況，四、 晶體生長的界面形狀晶體形態(tài)晶體的形態(tài)問題是一個十分復雜而未能徹底解決的問題。1、 在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài)：光滑界面結(jié)晶的晶體，若無其它因素干擾，大多可以成長為以密排晶面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，在正的溫度梯度下成長時，其界面為平行于熔點等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長大形態(tài)，可將這種長大方式叫做平面長大方式。2、

5、 在負的溫度梯度下生長的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負的溫度梯度下生長成樹枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。對于光滑界面的物質(zhì)在負的溫度梯度下長大時，如果杰克遜因子不太大時可能生長為樹枝晶，如果杰克遜因子很大時，即使在負的溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。五、 長大速度晶體長大的要點：1、 具有粗糙界面的金屬，其長大機理為垂直長大，長大速度快，所需過冷度小。2、 具有光滑界面的金屬化合物，亞金屬或非金屬等，其長大機理可能有兩種方式，其一是二維晶核長大方式，其二是螺型位錯長大方式，它們的長大速度都很慢，所需過冷度較大。3、 晶體成長的界面形態(tài)與界面前沿的溫度梯度和界面的

6、微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在正的溫度梯度下長大時，光滑界面的一些小晶面互成一定的角度，呈鋸齒狀，粗糙界面的形態(tài)為平面界面呈平面長大方式。在負的溫度梯度下長大時，一般金屬和亞金屬的界面都呈樹枝狀，只有那些值較高的物質(zhì)仍保持著光滑界面形態(tài)。六、 晶粒大小的控制晶粒的大小叫晶粒度。在常溫下晶粒越細小，強度和硬度則越高，同時塑性和韌性也越好。生產(chǎn)上控制晶粒度的大小，常采用以下幾種方法：1、 控制過冷度在一般金屬結(jié)晶時的過冷度范圍內(nèi)，過冷度越大，晶粒越細小。2、 變質(zhì)處理變質(zhì)處理是在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑（又稱變質(zhì)劑），促進形成大量的非均勻晶核來細化晶粒。3、 振動、攪拌將凝固著的金屬進行振動或攪拌，一方面是靠從外部輸入能量促進進和提前形成，另一方面是使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目增加，這已成為一種有效的細化晶粒組織的重要手段。第六節(jié) 金屬鑄錠的組織與缺陷一、內(nèi)容：鑄錠三晶區(qū)的形成鑄錠組織的控制鑄錠缺陷二、說明：通過上幾節(jié)課的學習，對實際金屬鑄錠的結(jié)晶過程及組織特點進行分析說明，對以上學到的知識起到一個鞏