第2章 純金屬結(jié)晶

1、金屬學(xué)原理14第2章純金屬的結(jié)晶金屬制品都要經(jīng)歷熔煉和鑄造，即都要經(jīng)歷由液態(tài)到固態(tài)的凝固過(guò)程，也叫結(jié)晶。不同的結(jié)晶條件對(duì)組織和性能有很大影響。另外，結(jié)晶是相變過(guò)程，掌握結(jié)晶過(guò)程的基本規(guī)律為研究相變奠定基礎(chǔ)。11金屬結(jié)晶的現(xiàn)象一、宏觀(guān)現(xiàn)象（過(guò)冷液體）→過(guò)冷度的大小與金屬的本性和冷卻條件有關(guān)。冷卻條件一定時(shí)，不同的金屬?T不同，金屬的純度越高，?T越大；金屬一定時(shí)，冷卻速度越快，?T越大。但是，無(wú)論冷卻速度多慢，?T也不會(huì)為0，即，結(jié)晶必須

2、過(guò)冷。這是因?yàn)槔碚撃虦囟仁侵敢?、固兩相自由能相等時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，由于結(jié)晶產(chǎn)生界面能，使能量增加，要抵消這一能量必須過(guò)冷。但是，金屬熔化時(shí)不需要過(guò)熱。證明：因?yàn)椋刍瘯r(shí)表面SLLVSVγγγ??自由能變化為：。0)(???????SVSLLVγγγAGGG始始始始二、微觀(guān)過(guò)程研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶的微觀(guān)過(guò)程包括形核和晶核長(zhǎng)大（P33圖3、4）。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到Tm以下實(shí)際結(jié)晶溫度等溫時(shí)，晶核并未立即產(chǎn)生，而是停留一定時(shí)間后才開(kāi)始出現(xiàn)第

3、一批晶核。這一停留時(shí)間稱(chēng)孕育期。隨著時(shí)間的推移，不斷的產(chǎn)生形核和晶核長(zhǎng)大，直到液相消失。結(jié)晶后，每個(gè)晶核生長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，成為多晶體?？梢韵胂?，若結(jié)晶過(guò)程只有一個(gè)晶核并長(zhǎng)大，就形成單晶體金屬。22金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬的結(jié)晶可認(rèn)為是在等溫等壓條件下進(jìn)行的。熱力學(xué)第二定律指出，在等溫等壓條件下，自發(fā)進(jìn)行的方向是＜0。G?在等溫等壓條件下，由熱力學(xué)公式可導(dǎo)出（P35）：?TTmTntTγLVγSVγSLLTmTGLSTmTGLS金屬學(xué)原理1

4、6二、非均勻形核理論和實(shí)驗(yàn)都證明，均勻形核需要很大的過(guò)冷度。例如，純mKTT2.0??鐵的過(guò)冷度高達(dá)295℃，但實(shí)際上過(guò)冷度不超過(guò)20℃。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)冷熔液可借助熔液中的固相雜質(zhì)或器壁形核，這種形核方式稱(chēng)非均勻形核。（一）形核功P42圖14。設(shè)晶坯借助雜質(zhì)平面形核，為了計(jì)算方便，假設(shè)張力平衡時(shí)形成球冠狀晶坯。則：（θ稱(chēng)潤(rùn)濕角）θσσσLαBαLBcos??晶坯與液體的界面積：)cos1(22θrπSLα??晶坯與基底的界面積：θrπSB

5、α22sin?晶坯的體積：)coscos32(3133θθrπV???在基底上形成晶坯時(shí)，自由能變化為：)(LBBαBαBαLαLαVσSσSσSGVG???????將上面的公式代入，得?????????????????????4coscos32434323θθσrπGrπGLαV求得臨界晶核半徑：KVLαKrGσr?????2形核功：???????????????4coscos3243132θθσrπGLαKK與均勻形核比較可看出，非