金属学与热处理2.2讲解

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1、上节要点 n概念：凝固、结晶、过冷、过冷度、均匀形核、非 均匀形核、临界晶核、临界半径、临界形核功、能量 起伏、结构起伏 n临界半径： 1 物质由液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。 纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现 象叫做过冷。 Tm与Tn的差值T叫做过冷度。 形成临界晶核所需的能量G*称为临界形核功。 2 n n 自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）：在液态金属中，存在大量：在液态金属中，存在大量 尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温 度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，

2、不再消失度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失 ，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。 n n 非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含：实际金属内部往往含 有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些 杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非 自发形核。自发形核。 3 n n 所谓所谓能量起伏能量起伏是指体系中微小体积所具有的能量偏是指体系中微小体积所具有的能量偏 离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时离体系的平均能

3、量，而且微小体积的能量处于时起时 伏，此起彼优状态的现象。伏，此起彼优状态的现象。 n n 液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏 ，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则 排列原子团的起伏现象称为排列原子团的起伏现象称为相起伏相起伏或或结构起伏结构起伏。 4 1、液态金属的结构？ n n 液态金属的结构是短程有序、长程无序。液态金属的结构是短程有序、长程无序。 n n 由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消 失，同时在其它地方又会出现

4、新的尺寸不等的规则排列失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列 的原子团，然后又立即消失。的原子团，然后又立即消失。 n n 液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此 起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原 子团的起伏现象称为子团的起伏现象称为相起伏相起伏或或结构起伏结构起伏。 5 2、描述金属凝固的过程。 n n 当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点T Tm m以下的某一温度开始结晶时 以下的某一温度开始结晶时 ，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为，在液体中首先

5、形成一些稳定的微小晶体，称为晶核晶核。 随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形 成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液 体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。 n n 液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由形核形核和和长大长大两个基本过程所组两个基本过程所组 成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。 6 3 3、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及 结构条件。

6、结构条件。 n n 分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力 学条件为学条件为GG 0 0。只有过冷，才能使只有过冷，才能使GG 0 0。 n n 动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界 过冷度。过冷度。 n n 由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有1/31/3 的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。 n n 液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，

7、 因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。 7 2.5 晶核长大 液-固界面上的原子迁移 n n 一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。 n n 系统总自由能随晶体体积的增加而下降是系统总自由能随晶体体积的增加而下降是晶体长大的驱晶体长大的驱 动力动力。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表 面迁移、液面迁移、液- -固界面向液相不断推进的过程。固界面向液相不断推进的过程。 8 n n 晶体长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶

8、体表面，即液- -固界固界 面向液体中推移的过程。面向液体中推移的过程。 n n 动态过冷度动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于 形核所需过冷度）形核所需过冷度） n n 晶核长大条件晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构：动态过冷、合适的晶核表面结构 Ti 温度对晶核熔化和长大的影响 9 n n 固固- -液界面液界面(Solid-liquid interface)(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为按微观结构可以分为 光滑界面光滑界面(Smooth interface)(Smooth interface)和和粗

9、糙界面粗糙界面(Rough (Rough interface)interface)两种。两种。 （1）液-固界面的微观结构 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观结构示意图 10 n n 光滑界面光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固是指固相表面为基本完整的原子密排面，固 液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏 观来看，界面呈锯齿状的折线。观来看，界面呈锯齿状的折线。 (a)微观观 (b)宏观观 11 n n 粗糙界面粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚 度的过渡层。但是宏观上看，界

10、面反而是平直的。度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。 n n 光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光 滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界 面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。 (a)微观观 (b)宏观观 12 n n 假设界面上可能的原子位置数为假设界面上可能的原子位置数为N N，其中其中N N A A 个位置为固相个位置为固相 原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x=

11、 x= N NA A /N/N。 n n 如果如果x=50%x=50%，即界面上有即界面上有50%50%的位置为固相原子所占据，的位置为固相原子所占据， 这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于0%0%或或100%100%的位的位 置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。 n n 界面的界面的平衡结构平衡结构应该是应该是界面能最低界面能最低的结构，在光滑界面上的结构，在光滑界面上 任意添加原子时，其界面自由能的变化任意添加原子时，其界面自由能的变化 13 不同值下GS(NkTm)与x的关系 n n 2 2时，在时，

12、在x x0 0. .5 5处，界面能处，界面能 具有极小值，这意味着界面上具有极小值，这意味着界面上 约有一半的原子位置被固相原约有一半的原子位置被固相原 子占据着，形成粗糙界面。子占据着，形成粗糙界面。 n n 55时，在时，在x xl l和和x x0 0处，界处，界 面能具有两个极小值，这表明面能具有两个极小值，这表明 界面上绝大多数原子位置被固界面上绝大多数原子位置被固 相原子占据或空着，为光滑界相原子占据或空着，为光滑界 面。面。 n n 金属一般为粗糙界面，高分金属一般为粗糙界面，高分 子往往为光滑界面。子往往为光滑界面。 14 n n 晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长晶核

13、长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长 方式，与其液方式，与其液- -固相界面的结构有关。固相界面的结构有关。 （2）晶核的长大机制 （1 1）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制 （2 2）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制 15 （1 1）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制 n n 具有粗糙界面的物质，液具有粗糙界面的物质，液- -固相界面上有大约一半的固相界面上有大约一半的 原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面 的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称的空位

14、置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称 为为垂直生长机制垂直生长机制，其长大速度很快。，其长大速度很快。 晶体的垂直长大方式示意图 16 n n 二维晶核台阶生长模型二维晶核台阶生长模型 （2 2）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制 二维晶核长大示意图 17 n n 晶体缺陷台晶体缺陷台阶阶阶阶生生长长长长机制机制 螺型位错长大机制 18 螺旋长大的SiC晶体 19 纯纯纯纯金属凝固金属凝固时时时时晶体的生晶体的生长长长长形形态态态态取决于界面的微取决于界面的微观观观观 结结结结构和界面前沿液相中的温度分布。构和界面前沿液相中的温度分布。 两种温度分布方式 (a) 正

15、温度梯度 (b) 负温度梯度 （3）界面前沿的温度梯度 20 n 正温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随到 界面的距离的增加而升高，这时结这时结 晶过过程的潜热热只 能通过过已凝固的固体向外散失。 n 负负温度梯度是指液固界面前沿的液体温度随到 界面的距离的增加而降低，这时结这时结 晶过过程的潜热热不 仅仅可通过过已凝固的固体向外散失，而且还还可向低温 的液体中传递传递 。 21 n n 粗糙界面：生长界面粗糙界面：生长界面 以以垂直长大方式垂直长大方式推进。推进。 由于前方液体温度高，由于前方液体温度高， 所以生长界面只能随前所以生长界面只能随前 方液体的逐渐冷却而均方液体的逐渐冷却而均 匀

16、地向前推移。整个液匀地向前推移。整个液- - 固相界面保持稳定的平固相界面保持稳定的平 面状态，不产生明显的面状态，不产生明显的 突起。突起。 （1 1）在正的温度梯度下）在正的温度梯度下 22 n n 光滑界面：光滑界面：生生长长长长界面界面 以以小平面台小平面台阶阶阶阶生生长长长长方式方式 推推进进进进。小平面台。小平面台阶阶阶阶的的扩扩扩扩 展同展同样样样样不能伸入到前方不能伸入到前方 温度高于温度高于T Tm m的液体中去 的液体中去 ，因此，从宏，因此，从宏观观观观来看液来看液- - 固相界面似与固相界面似与T Tm m等温 等温线线线线 平行，但小平面与平行，但小平面与T Tm m等 等 温温线线线线呈一定角度呈一定角度。 23 n n 在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为平平 面状生长面状生长。晶体生长方向与散热方向相反，生长速。晶体生长方向与散热方向相反，生