純金屬凝固精品課件

1、純金屬凝固第1頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 6.1 單元系相變的熱力學(xué)及相平衡 6.2 純晶體的凝固 6.3 氣-固相變與薄膜生長 第2頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 a Single-component system and Solidification of Pure Metals （Chapter 9 principles and Applications of Solidification P245）3第3頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 6.1 單元系相變的熱力學(xué)及相平衡 一 相律(Gibbs

2、phase rule)組元（component）：組成一個體系的基本單元。相(phase)：體系中具有相同物理和化學(xué)性質(zhì)的，且 與其它部分以界面分開的均勻部分。相律： f = C P + 2 f 體系的自由度(degrees of freedom) C 體系的組元數(shù)(number of components in the system) P 相數(shù)(number of phases that coexist in a chosen system) f = C P + 1.壓力不變時第4頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二51 確定系統(tǒng)中最多可存在的平衡相數(shù)Pmax由f =

3、 CP2 ，得P = C2 - f，f0時，Pmax= C2C=1，Pmax= 12=3：單組分系統(tǒng)最多可三相共存C=2，Pmax= 22=4：二組分系統(tǒng)最多可四相共存C=3，Pmax= 32=5：三組分系統(tǒng)最多可五相共存相律的應(yīng)用第5頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二6由f = CP2 及P1知，當(dāng)P= 1時，自由度數(shù) f 有極大值 fmax， Fmax= C12=C1例 C=1，fmax= 112=2：單組分系統(tǒng)最多有兩個獨(dú)立變量，可做pT二維相圖C=2，fmax= 212=3：二組分系統(tǒng)最多有三個變量，可做三維相圖C=3，fmax= 312=4：三組分系統(tǒng)最多有

4、四個變量，可做四維相圖若指定溫度或壓力，可做其它類型相圖2 確定系統(tǒng)中最大自由度數(shù)第6頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二Gibbs phase rule relates the number of degrees of freedom at equilibrium, to the number of components, in the system, the number of phases in equilibrium, and the two state variables temperature and pressure. 7第7頁，共107頁，2022年，5

5、月20日，17點(diǎn)45分，星期二The number of degrees of freedom available to the system at equilibrium is the number of variables that can be independently adjusted without disturbing equilibrium.8第8頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二9 單元系相圖 單組分相圖的相律分析相律表達(dá)式：f = 3 - P單組分系統(tǒng)最大自由度為2，相圖可用二維平面圖表示，變量為溫度和壓力：pt圖（1）P=1，f=2。兩個獨(dú)立變量

6、T 和p?！懊妗?，稱單相面（2）P=2，f=1。只有一個獨(dú)立變量T或p。 p= f（T），或T=f(p)?！熬€”，稱兩相線（3）P=3，f=0。無獨(dú)立變量，p、T一定。三相點(diǎn)（triple point）相圖學(xué)習(xí)要點(diǎn)搞清每種相圖中的點(diǎn)、線、面的含義，及相律的指導(dǎo)作用第9頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二10 1 單相面 線OA與OC、OA與OB、OB與OC分別形成液態(tài)水、固態(tài)冰和水蒸氣的單相面f= 3P3-12三個單相面的自由度均為2。T、p在一定范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)均能維持單相。例，當(dāng)描述系統(tǒng)狀態(tài)或總的組成的點(diǎn)即系統(tǒng)點(diǎn)（system point）在OA與OC之間，即處于單

7、液相區(qū)時，在一定范圍內(nèi)升溫或增壓，均可維持系統(tǒng)的相態(tài)不變，即仍為單液態(tài)。水的相圖來源：實(shí)驗(yàn)第10頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二11 2 兩相線OA、OB、OC分別是水冰、冰氣、水氣的兩相平衡線。OA稱水的凝固曲線或冰的熔化曲線，OB稱冰的升華曲線或水蒸氣的凝華曲線，OC稱為水的蒸發(fā)曲線或水蒸氣的液化曲線。線上每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表兩相平衡時對應(yīng)的溫度和壓力，f = 3P321，自由度均等于1。例，氣液平衡，溫度升高，壓力隨之增大，單純升溫，系統(tǒng)將由氣液平衡變?yōu)閱螝庀嘧⒁?1)OA線的斜率為負(fù)，(2)O點(diǎn)處OB斜率大于OC斜率第11頁，共107頁，2022年，5月20日，

8、17點(diǎn)45分，星期二12 克拉貝龍克勞修斯方程單組分兩相平衡系統(tǒng)中溫度T和壓力P的關(guān)系可用克-克方程描述 H相變潛熱 (latent heat )Vm摩爾體積變化T相變溫度液固 H0放熱過程 當(dāng) Vm0 p-T曲線斜率為正 當(dāng) Vm0 dp/dT0 p-T曲線斜率為負(fù) 如水第12頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 3 三相點(diǎn)O點(diǎn)為水蒸氣、水和冰三相共存的三相點(diǎn)，對應(yīng)的溫度、壓力分別為：T=273.16K，p=610.15Paf = 3P330，O點(diǎn)自由度為零。意義：溫度和壓力的任何變動，都會破壞三相平衡系統(tǒng)的存在。第13頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)4

9、5分，星期二14第14頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二156.2 純晶體的凝固煉鋼 澆注 煉銅第15頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 凝固與結(jié)晶 (Solidification and Crystallization)引子：自然界的物質(zhì)通常都能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在。并且在一定的條件下，它們可以發(fā)生互相轉(zhuǎn)變。凝固：一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程的統(tǒng)稱。結(jié)晶：晶體的形成過程。凝結(jié)蒸發(fā)凝固熔化凝華升華晶體的形成過程包括，原始相可以是氣體(凝華)、液態(tài)、非晶態(tài)的固體或從一種晶體轉(zhuǎn)變未另一種晶體。意義：材料中使用較廣泛的有金屬材料，金屬材料絕大

10、多數(shù)用冶煉來方法生產(chǎn)出來，即首先得到的是液態(tài)，經(jīng)過冷卻后才得到固態(tài)，固態(tài)下材料的組織結(jié)構(gòu)與從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程有關(guān)，從而也影響材料的性能。第16頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 6.2.1 液態(tài)結(jié)構(gòu) 1 .模型 a. 微晶無序模型（準(zhǔn)晶體模型） b. 隨機(jī)密堆模型2 結(jié)構(gòu)起伏（相起伏） 不斷變換著的近程有序原子集團(tuán)，大小不等，時而產(chǎn)生，時而消失，此起彼伏，與無序原子形成動態(tài)平衡，這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)起伏。溫度越低，結(jié)構(gòu)起伏尺寸越大。第17頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二18氣體液體固體第18頁，共107頁，2022年，5月20日，

11、17點(diǎn)45分，星期二 結(jié)晶過程的分析方法 -熱分析第19頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二、 金屬凝固的熱力學(xué)條件自由能隨溫度、壓力而變化 : dG=VdP-SdT 其中，V：體積 ，P：壓力冶金系統(tǒng)中，壓力可視為常數(shù) ,即dP=0在交點(diǎn)溫度（Tm ）：兩相自由能相等，即GL=GS平衡共存TSS, 故GL-T 的下降速度大于GS-T;4. 必有一交點(diǎn)：對應(yīng)TM-理論結(jié)晶溫度。21第21頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二22液態(tài)金屬結(jié)晶的動力過冷度：TTmTn 純銅的冷卻曲線理論結(jié)晶溫度 液態(tài)金屬和固態(tài)金屬的自由能溫度關(guān)系曲線第22頁，共107

12、頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二液 固，單位體積自由能的變化 Gv為 （1） 其中：Lm為熔化潛熱 T=Tm時，Gv=0 （2） 將（2）代入（1）， 即GV 與 T 呈直線關(guān)系，過冷度越大，液態(tài)和固態(tài)的自由能差值越大，相變驅(qū)動力越大，凝固過程加快。第23頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二6.2.3 形核-（1）金屬的凝固過程： 形核，長大t1 形核t3 長大形成晶粒t2 形核并長大，有新的晶核形成t4 液體消失，結(jié)晶結(jié)束第24頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二Solidification of metals represen

13、ts a transformation from a non-crystalline liquid to a crystalline solid.Most commercial metal objects are frozen from a liquid phase into either their final shapes, called castings, or intermediate forms, called ingots, which are then worked into the final product. 25第25頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星

14、期二All metallic materials are liquid or molten at some point during processing and molten materials solidify as they cool below their freezing temperature. During the solidification of materials that crystallize, the atomic arrangement of crystallized materials changes from a short-range order to a l

15、ong-range order.26第26頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二The solidification of crystalline materials requires two steps: in the first step, ultro-fine crystallites, known as the nuclei of a solid phase, form from the liquid. In the second step, which can overlap with the first, the ultra-fine solid crysta

16、llites begin to grow as atoms from the liquid attached to the nuclei until no liquid remains.27第27頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二The solidification of metals occurs by nucleation and growth. some supercooling occurs almost every time a metal is frozen. Further, under appropriate conditions, liquid me

17、tals can be cooled to temperatures far below their equilibrium freezing points before solidification begins.28第28頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二晶核的形成 (nucleation)形核：在母相中形成等于或超過一定臨界大小的新相晶核的過程N(yùn)ucleation refers to the formation of the first nano-sized crystallines from molten material.形核方式有兩種：A、均勻形核 (ho

18、mogeneous nucleation: Formation of a critically sized solid from the liquid by the clustering together of a large number of atoms at a high undercooling) B、非均勻形核(heterogeneous nucleation: Formation of a critically-sized solid from the liquid on an impurity surface)第29頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 一

19、、均勻形核a均勻形核的能量變化 “結(jié)構(gòu)起伏”的尺寸，大小與溫度有關(guān)。溫度越低，“結(jié)構(gòu)起伏”尺寸越大，當(dāng)溫度降到熔點(diǎn)以下時，這種晶坯的尺寸較大，其中的原子組成了晶態(tài)的規(guī)則排列，而其外層原子卻與液體金屬中不規(guī)則排列的原子相接觸而構(gòu)成界面。因此，當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)晶坯時，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)楣虘B(tài)的排列狀態(tài)，使體系的自由能降低（固、液相之間的體積自由能差）；另一方面，由于晶坯構(gòu)成新的表面，又會引起表面自由能的增加（單位面積表面能）。第30頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 金屬熔液凝固時的過冷現(xiàn)象過冷：金屬的實(shí)際開始凝固溫度Tn總是低于理論凝固 溫度

20、Tm的現(xiàn)象.過冷度（ T）：理論凝固溫度與實(shí)際開始凝固溫度之差,即Tm-Tn。第31頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 假定晶胚為球形，半徑為r，當(dāng)過冷液體中出現(xiàn)一個晶胚時，總的自由能變化： G=V GV+A= （4 /3） r3 GV +4 r2 V、A：晶胚的體積及表面面積，GV ：固、液兩相單位體積自由能差， 由于過冷到熔點(diǎn)以下時，自由能差為負(fù)值第32頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二rr*時，隨晶胚長大，系統(tǒng)自由能降低，凝固過程自動進(jìn)行。r=r*時，可能長大，也可能熔化，兩種趨勢都是使自由能降低的過程，將r*的晶胚稱為臨界晶核，只有那

21、些略大于臨界半徑的晶核，才能作為穩(wěn)定晶核而長大，所以金屬凝固時，晶核必須要求等于或大于臨界晶核。極值點(diǎn)處 （2） 將 （3）代入（2）： （4） 第33頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二v臨界晶核半徑隨過冷度增大而減小。將（2（3)（4）代入（1）式： (5)稱為臨界晶核形成功，簡稱形核功，即形成臨界晶核時要有值的自由能增加，與T2成反比。將（4）式代入 (6) （6）式表明，當(dāng)r=r*時，臨界晶核形成時的自由能增高等于其表面能的1/3，此形核功是過冷液體金屬開始形核時的主要障礙。形核功來自何方？在沒有外部供給能量的條件下，依靠液體本身存在的“能量起伏”來供給第34頁

22、，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二In a broader sense, the term nucleation refers to the initial stage of formation of one phase from another phase.An embryo is a tiny particle of solid that forms from the liquid as atoms cluster together. The embryo is unstable, and may either grow into a stable nucleus

23、or redissolve.35第35頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二b均勻形核率形核率指在單位時間、單位體積母相中形成的晶核數(shù)目。 設(shè)單位體積液相中存在Cn個臨界晶核，dt時間內(nèi)由液相獲得原子的臨界晶核所占分?jǐn)?shù)為dn，于是單位體積單位時間內(nèi)應(yīng)形成Cn（dn/dt）個可以穩(wěn)定長大的晶核 形核率N=N1N2= Cndn/dt形核率受兩個相互矛盾的因素控制： Cn受控于形核功因子，正比于 exp(-G*/kT), 故隨著過冷度增大而 增大； G*：形核功 k:玻爾茲曼常數(shù) dn/dt受控于原子擴(kuò)散因子，正比于exp(-Q/kT),故隨過冷度的增大而減少。 Q 原子越過固

24、液界面的擴(kuò)散激活能 第36頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二形核率隨過冷度增大而增大，超過極大值后，形核率又隨過冷度進(jìn)一步增大而減小。QQ第37頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 金屬材料形核率與溫度的關(guān)系如圖所示形核率突然增大的溫度稱為有效形核溫度，此時對應(yīng)的過冷度稱臨界過冷度約等于0.2Tm。第38頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二例：Cu Tm=1356K, T =236K, Lm=1628106J/m3, =177 10-3J/m2, a0=3.615 10-10m 晶胞體積 VL=a03=4.724 10-

25、29m3臨界晶核體積 Vc=4/3r*3=8.517 10-27m3臨界晶核中的晶胞數(shù) n=Vc/VL=173個臨界晶核中的原子數(shù) na=692個第39頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二二、非均勻形核 晶核優(yōu)先依附在現(xiàn)成固體表面上形成。（一）非均勻形核的臨界晶核尺寸及形核功假如晶核形狀是截自半徑為R圓球的球冠，截面半徑為R，晶核形成時體系總的自由能變化為 G=V GV+ Gs （1）V：晶核體積 GV：單位體積的固液兩相自由能之差 GS：晶核形成時體系增加的表面能第40頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 故 ：單位面積界面能由幾何學(xué)知道： （

26、3）：晶核與基底的接觸角 （4） （5）由幾何學(xué)可知：球冠體積 （6） 第41頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二將（5）（6）代入（1）： （7）按處理均勻形核同樣的方法可求出非均勻形核的臨界半徑和形核功 不均勻形核時，臨界球冠的曲率半徑與均勻形核時球形晶核的半徑是相等的。 G*不均勻=0 G*不均勻=G *均勻 G*不均勻平面凸曲面第45頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 活化粒子：雜質(zhì)表面上的微裂紋、小孔是凹曲面的一種特殊情況。這種由于表面形狀的作用而促進(jìn)形核的雜質(zhì)粒子稱為活化粒子。 活性去除：如果加熱溫度較高，活化粒子凸起部 分熔解而使

27、表面平滑，縫隙微孔減少，促進(jìn)非均勻形核的作用逐漸消失，這種現(xiàn)象稱活性去除。第46頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 6.2.4 晶體成長一、長大的熱力學(xué)條件移動中的液-固界面，在界面上有兩種情況的原子遷移，1 固液，2 液固 速度分別為 及界面溫度 液固兩相平衡共存界面溫度是實(shí)現(xiàn)從液體到固體的凈原子輸送所必須的，提供了長大的驅(qū)動力。第47頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二動態(tài)過冷度（Tk）：晶核長大所必需的界面過冷度。第48頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二1、液固界面的微觀結(jié)構(gòu) 粗糙界面（非小平面界面，非晶面型界面

28、)光滑界面（小平面界面，晶面型界面)第49頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二50第50頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 如果在光滑界面上任意增加原子，即界面粗糙化時，界面自由能的相對變化GS可表示為： 其中NT：界面上可能具有的原子位置數(shù)；k：玻爾茲曼常數(shù)；Tm：熔點(diǎn)；x：界面上被固相原子占據(jù)位置的分?jǐn)?shù)； 粗糙界面 平滑型界面 混合型一般金屬和某些有機(jī)物呈粗糙界面第51頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二It is now realized that the interface between the liquid

29、and the solid can vary considerably in structure depending on the nature of the material solidifying and the amount of the supercooling at the interface. 52第52頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二However, to reduce the complexity of the problem one usually considers only the two extreme cases. These are (1

30、) the diffuse and (2) the atomically smooth interfaces. 53第53頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二In the diffusion interface, the change from the liquid to solid is assumed to occur over a number of atomic layers in which the liquid structure changes gradually to that of the solid. In other words, the orde

31、ring of atoms from the non-crystalline liquid state to the crystalline solid state is gradual. 54第54頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二growth occurs by the addition of atoms continuously at every atomic site and the interface advances normal to itself. This type of growth mechanism is called continuous o

32、r normal growth. 55第55頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二an atomically flat interface is basically closed-packed, it is also assumed to have a few ledges with jogs. These ledges spread parallel to the interface, that is, laterally, upon the attachment of atoms to them. 56第56頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二

33、2 晶體長大方式和長大速率指液態(tài)原子以什么方式添加到固相上去。 1.粗糙界面 vg = u1Tk 垂直式長大， TkoC，成長速度很快 第57頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二2、光滑界面 臺階式成長 vg = u2exp(-b/Tk ) Tk=1-2oC 界面上反復(fù)形核二維晶核，罕見。 第58頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二3、 依靠晶體缺陷長大永不消失的臺階，速度較慢vg = u3Tk2第59頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二6.2.5 結(jié)晶動力學(xué)及凝固組織1、 金屬凝固動力學(xué)1、約翰遜梅爾方程其中 ：經(jīng)t時間

34、的轉(zhuǎn)變分?jǐn)?shù)N：形核率vg：長大速度 2、凝固量與時間、溫度的關(guān)系 凝固需要一定的孕育期 結(jié)晶速度：慢快慢 過冷度越大，孕育期越短，整個結(jié)晶所需時間越短 第60頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二2 純晶體凝固時的生長形態(tài)A、正溫度梯度液相中，離固液界面的距離越遠(yuǎn)，溫度越高。第61頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二形核之后晶體生長成什么形態(tài)，取決于固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)和界面前沿液相中的溫度分布情況。 1.正溫度梯度下的成長界面形狀平直界面第62頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二63在正的溫度梯度下生長的界面形態(tài) 在這種條

35、件下，結(jié)晶潛熱只能通過已結(jié)晶的固相和型壁散失 光滑界面的情況 由于原子密度大的晶面，長大程度較小，原子密度小的晶面，其長大速度較大，但長大程度較大的非密排面易于被長大速度較小的密排面所制約，以光滑界面結(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 粗糙界面的情況 在正的溫度梯度下成長時，其界面為平行于熔點(diǎn)Tm等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，固液界面始終可以近似地保持平面，以平面長大方式生長。 第63頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 B 負(fù)溫度梯度： 液相中，離固液界面的距離越遠(yuǎn)，溫度越低。第64頁，共107頁，2022年，5

36、月20日，17點(diǎn)45分，星期二65液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低，結(jié)晶的潛熱既可通過已結(jié)晶的固相散失，也可通過尚未結(jié)晶的液相散失 第65頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二66由于界面前沿的液體中的過冷度界面更大，易形成一次晶軸主干，并排生出二次晶軸或三次晶軸，因而成為樹枝晶，簡稱枝晶。 當(dāng)枝晶在三維空間得以均衡發(fā)展，各方向上的一次軸近似相等，便形成等軸晶粒 當(dāng)枝晶在某一方向中的一次軸長得很長，而在其它方向長大時受到阻礙，便形成柱狀晶粒。 枝晶生長示意圖2、在負(fù)的溫度梯度下生長的界面形態(tài) 第66頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二67第67

37、頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二第68頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二 樹枝晶生長時，伸展的晶軸都有其特定的晶體學(xué)方向：fcc ，bcc ，hcp 第69頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二第70頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二71 電鏡下觀察到的樹枝晶負(fù)溫度梯度第71頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二72金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第72頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二The motion of atoms fro

38、m the liquid to the solid depends on the indices of the particular crystalline plane that faces the liquid. The less close-packed the plane, the easier it is for liquid atoms to attach themselves to the crystal. The holes, or pockets, in the surface available for the accommodation of a liquid atom a

39、s it joins the crystal are larger for the less close-packed plane than for the more close-packed plane.73第73頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二6.2.6 凝固理論的應(yīng)用舉例74晶粒的大小用晶粒度表示，晶粒度級別與晶粒大小的關(guān)系為 ： n=2N-1 n放大100倍視野中單位面積內(nèi)晶粒數(shù) N晶粒度級別 晶粒度取決于形核率N和長大速度G之比，比值N/G越大，晶粒越細(xì)小。 單位體積中的晶粒數(shù)目Zr： 單位面積中的晶粒數(shù)目Zs： 第74頁，共107頁，2022年，5月20

40、日，17點(diǎn)45分，星期二75第75頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二76 成核速率N 越大, 則結(jié)晶后的晶粒越多, 晶粒就越細(xì)小; 晶體長大速度G 越快, 則晶粒越粗。 隨著過冷度的增大，成核速率和長大速度都增大，前者的增大更快，比值N /G也增大, 使晶粒細(xì)化。 增加過冷度 增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度, 如用金屬型代替砂型。過冷度對形核率和長大速率的影響細(xì)化晶粒的措施第76頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二77第77頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二：78在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑（又稱變質(zhì)劑

41、），促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來細(xì)化晶粒，這種方法稱為變質(zhì)處理。 變質(zhì)處理細(xì)化晶粒的措施第78頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二79 變質(zhì)處理ZL102經(jīng)（2/3NaF+1/3NaCl）變質(zhì)處理共晶體共晶體ZL102未經(jīng)變質(zhì)處理第79頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二80AlMg合金沒有變質(zhì)處理晶粒AlMg合金經(jīng)過變質(zhì)處理晶粒第80頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二振動、攪動Company Logo振動、攪動細(xì)化晶粒的措施輸入能量促使晶核提前形成 枝晶破碎晶核數(shù)目 振動和攪拌方法有機(jī)械法、電磁法、超聲波法等振動和攪拌第

42、81頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二82振動、攪拌等 在金屬結(jié)晶的過程中采用機(jī)械振動、超聲波振動等方法，可以破碎正在生長的樹枝晶，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。 將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶枝，增加結(jié)晶核心，從而可細(xì)化晶粒。 超聲波震動對Al36Si組織的影響機(jī)械震動對鑄錠組織的影響第82頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二83Al-50%Si中間合金經(jīng)綜合細(xì)化處理后的微觀組織第83頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二The grain

43、size of castingsThere are two basic ways of increasing the number of grains in a casting. One involves increasing the basic nucleation rate, while the other depends on breaking up the dendrites as they grow so as to form additional crystal seeds. This latter is called “grain multiplication” 84第84頁，共

44、107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二To increase the nucleation rate:1. rapid cooling;2.adding catalysts (inoculants) to the melt: these inoculants are normally small, second-phase particles that increase the rate of heterogeneous nucleation.85第85頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二To decrease the grain size:Grain

45、multiplication:1.Agitation of the liquid metals;2.Artificial means: forced vibrations alternating magnetic fields ultrasonic vibrations86第86頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二凝固理論的實(shí)際應(yīng)用舉例一、鑄錠（鑄件）的宏觀組織控制：三層典型組織 1.激冷層（表面細(xì)晶區(qū)） 2.柱狀晶區(qū)3.中心等軸晶區(qū)1.激冷層（表面細(xì)晶區(qū)）2.柱狀晶區(qū)3.中心等軸晶區(qū)弱面第87頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二88鑄錠組織示意

46、圖鉛錠宏觀組織第88頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二89第89頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二When an ingot is frozen, three separate phases of the freezing process may occur, with each phase developing a characteristic arrangement of grain sizes and shapes. In a narrow band following the contour of the mold lies the

47、“ chill zone,” consisting of equiaxed (equal-sized) grains which usually have random orientations. Inside of this outer zone, the grains become larger in size, elongated in shape, and with their lengths parallel to the heat-flow direction (normal to the mold walls). 90第90頁，共107頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)45分，星期二These grains have a very strong preferred orientation with a direction of dendritic