《材料成型原理PPT课件3.1形核》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料成型原理PPT课件3.1形核（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 大连理工大学材料学院本科生课程大连理工大学材料学院本科生课程材料成形原理材料成形原理 液态成形原理液态成形原理主讲教师：姚曼主讲教师：姚曼 教授教授大连理工大学大连理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院3 凝固的结晶学基础凝固的结晶学基础Fundamentals of CrystalizationSolidification 即即, S可能是晶体或非晶体可能是晶体或非晶体 S: Crystalines or amorphous solidsCrystalization Crystallines结晶过程结晶过程结晶结晶 形核和生长两阶段，新界面生成和推移长大；形核和生长两阶段，新界面生成
2、和推移长大；有两种典型情况有两种典型情况形核与生长两个过程有重叠地进行。这是常见的类型。形核与生长两个过程有重叠地进行。这是常见的类型。所有的核在凝固开始时就全部出现，熔体内出现形核所有的核在凝固开始时就全部出现，熔体内出现形核位置饱和，然后一起进入长大阶段。直至完全凝固；位置饱和，然后一起进入长大阶段。直至完全凝固；结晶的动态过程结晶的动态过程 p42案例案例3.1 液态淬火（液淬）液态淬火（液淬）组织保留试样在淬火瞬间的凝固状态。组织保留试样在淬火瞬间的凝固状态。 铝黄铜铝黄铜Cu67Zn24Al5Mn2Fe2淬火组织淬火组织（950C，保温，保温1min，冰盐水淬火，冰盐水淬火，FeCl
3、3盐酸水溶液浸蚀）盐酸水溶液浸蚀）液相淬火组织（黑色基体）液相淬火组织（黑色基体）+相（枝状晶）相（枝状晶）+富富Fe相（相（相内黑色枝晶）相内黑色枝晶） 3 Fundamentals of Crystalization3.1 经典形核理论经典形核理论 3.2 固固-液界面结构液界面结构3.3 晶体生长晶体生长3.4 凝固过程溶质的分配凝固过程溶质的分配3.5 固固-液界面的稳定性液界面的稳定性3.6 多相合金的结晶多相合金的结晶3.1 经典形核理论经典形核理论（Nucleation）经典的形核理论是在蒸汽形核理论（经典的形核理论是在蒸汽形核理论（Volmer，1926）基础上发展起来的。有两
4、方面内容：基础上发展起来的。有两方面内容：从热力学角度：探讨从热力学角度：探讨晶核稳定的条件晶核稳定的条件，包括形核需要，包括形核需要的过冷度，晶核稳定的条件，成为异质形核的基底的的过冷度，晶核稳定的条件，成为异质形核的基底的条件等问题。条件等问题。动力学问题：当达到形核稳定条件，需要讨论动力学问题：当达到形核稳定条件，需要讨论形核数形核数目问题目问题。结晶中心越多，凝固组织就越细。结晶中心越多，凝固组织就越细。形核：形核：是形成作为结晶中心的晶核（是形成作为结晶中心的晶核（nucleus）。即液相的。即液相的质点构成可以继续长大的、稳定的结晶相微粒。质点构成可以继续长大的、稳定的结晶相微粒。
5、有两种形有两种形核类型核类型：均质生核均质生核 homogeneous nucleation 在液相开始结晶的整个区域内，自发地、均匀地由液相原在液相开始结晶的整个区域内，自发地、均匀地由液相原子或分子聚集形成新相晶核。子或分子聚集形成新相晶核。 异质生核异质生核 heterogeneous nucleation 在熔体内部悬浮的固相质点表面或型壁（称为基底，在熔体内部悬浮的固相质点表面或型壁（称为基底，substrate）上形成晶核（新相）。这是形核的主要方式。）上形成晶核（新相）。这是形核的主要方式。3.1.1 晶核的临界半径晶核的临界半径1) 球形晶核的临界半径球形晶核的临界半径r* 球
6、状核球状核总的自由能变化总的自由能变化 注：注：Gv=L T/Tm临界形核半径临界形核半径r*新核的体积自由能下降新核的体积自由能下降-形核动力形核动力 界面能构成界面能构成形核阻力形核阻力 令令dG/dr=0，求，求临界晶核半径临界晶核半径r*r r *的原子集团就是晶胚，晶体长大才能稳定进行；的原子集团就是晶胚，晶体长大才能稳定进行； T越大，越大，r*越小；越小； T不能为不能为0；形成临界晶核形成临界晶核r *需要的能量需要的能量G *将将r *代入代入G式中得：式中得：形成临界晶核需要克服的能量障碍：形成临界晶核需要克服的能量障碍：1/3临界晶核界面能临界晶核界面能 理解过冷是结晶的
7、前提条件理解过冷是结晶的前提条件 2) 球冠状晶核的球冠状晶核的临界半径临界半径 对于在平面基体上形成球冠状的晶胚（异质生核）对于在平面基体上形成球冠状的晶胚（异质生核） 新增界面能量新增界面能量体积自由能的变化体积自由能的变化总的能量变化总的能量变化球冠表面积球冠表面积球冠体积球冠体积晶胚与基底的界面面积晶胚与基底的界面面积临界晶核半径临界晶核半径临界形核功临界形核功判断正误判断正误: 均质和异质生核均质和异质生核, 因为因为r*相同相同, 成核难易程度相同成核难易程度相同.为什么工业金属凝固大都是异质生核为什么工业金属凝固大都是异质生核?Questions? r*相同条件下，球冠状晶核体积
8、小，原子相同条件下，球冠状晶核体积小，原子数少数少 ， 成核越容易；成核越容易；异质生核，异质生核， 越小，越小，成核越容易；成核越容易； =18 ；就是；就是均质生核；均质生核；工业金属凝固大都是异质生核工业金属凝固大都是异质生核Useful points 图图3.4铝黄铜铝黄铜Cu67Zn24Al5Mn2Fe2淬火组织淬火组织（微粒试样，（微粒试样，950C，保温，保温1min，冰盐水淬火冰盐水淬火，FeCl3盐酸水溶液浸蚀）盐酸水溶液浸蚀）液相淬火组织基体（液相淬火组织基体（L）+相（二维切面，晶体断面呈圆形）相（二维切面，晶体断面呈圆形）+富富Fe相（相（相相内三角形晶体）内三角形晶体
9、）p45 案例案例3.2 富富Fe相晶体作为相晶体作为Cu结晶基底结晶基底3) 过冷度过冷度T* T*：液相能够大量形核的过冷度。：液相能够大量形核的过冷度。 rmax -液相内原子团的最大半径液相内原子团的最大半径 r*-形核临界半径形核临界半径最大过冷度最大过冷度T*的实验结果的实验结果在上世纪中叶在上世纪中叶, 进行过确定最大过冷度进行过确定最大过冷度T*的实验。的实验。均质形核：均质形核：通过获得无杂质的微粒，通过获得无杂质的微粒，T*0.2Tm （1948-1960）使用更灵敏的差热分析方法，使用更灵敏的差热分析方法，T*0.3Tm（1975年后）。年后）。异质形核异质形核: T*0
10、.02Tm。 3.1.2 异质基底上结晶的条件异质基底上结晶的条件不是任何表面都能成为成核基底；不是任何表面都能成为成核基底；湿润角湿润角小是异质成为基底的条件。但确定小是异质成为基底的条件。但确定非常困难。非常困难。从新相与基底的晶格结构角度考虑：共格或半共格界面从新相与基底的晶格结构角度考虑：共格或半共格界面;有例外有例外,表面偏离本体点阵结构表面偏离本体点阵结构实验证明实验证明,成为结晶异质基底的条件：基底与新相的成为结晶异质基底的条件：基底与新相的同型性同型性。当当新新相相与与基基底底排排列列规规律律与与质质点点间间隔隔相相同同时时，新新晶晶体体长长大大可可以以看作原晶体的延续（这一现
11、象称为看作原晶体的延续（这一现象称为外延外延）。）。当晶格常数略有差异时，与基底接触的新相表面层被迫变形。当晶格常数略有差异时，与基底接触的新相表面层被迫变形。与基底接触的新相表面层被迫变形与基底接触的新相表面层被迫变形 p47案例案例3.3用电解法使用电解法使Ni在在Cu上结晶，上结晶，Ni：fcc，a=0.352nm；Cu：fcc，a=0.361nm在在6-23nm薄层内，薄层内，Ni的晶格常数变为的晶格常数变为a=0.3600.003nm。Cu膜电沉积在膜电沉积在Ag上，上，Cu： fcc， a=0.4078nm； Ag：fcc，a=0.409nm随着随着Cu沉积的增长，其晶格常数很快地
12、恢复到正常值。沉积的增长，其晶格常数很快地恢复到正常值。案例：案例：Zr 作为作为Mg 的的结晶基底结晶基底Mg: a =0.3209nm，c= 0.5210nm Zr : a =0.3210nm，c= 0.5133nm熔熔点点: Zr1852C，Mg650C；在在所有对应晶面上都共格所有对应晶面上都共格;hcp案例案例: Fe作为作为Cu的结晶基底的结晶基底，都是，都是fcc；共；共格相界，格相界，ZH67-5-2-2，Fe +LX640，aCu = 0.3615nm , a Fe =0. 3650nm界面共格对应原则界面共格对应原则 (coincidence boundary theory
13、 )：新相与异质晶格类型不同，但某一晶面上原子的排列新相与异质晶格类型不同，但某一晶面上原子的排列方式与晶格常数相近似或成比例，异质也可以成为基方式与晶格常数相近似或成比例，异质也可以成为基底。底。 有例外有例外,表面偏离本体点阵结构表面偏离本体点阵结构p48案例案例3.4 TiAl3作为作为Al的结晶基底的结晶基底Al:fcc;Ti:hcp; a=0.2951nm,c=0.4678nm;TiAl3:正方正方;在凝固过程中利用在凝固过程中利用异质形核是细化晶粒异质形核是细化晶粒的重要方法的重要方法 。3.1.3 形核率形核率 -形核动力学问题形核动力学问题I - 形核数，形核数，k- Bolt
14、zmann常数常数C - 系数，系数， G*- 形成临界半径形成临界半径r*需要的能量需要的能量, 反比反比于于 T - 扩散激活能扩散激活能，正比正比于于 T，形核率形核率(Nucleation rate )：单位体积每秒产生的形核数目单位体积每秒产生的形核数目N- 系统中原子（分子）总数系统中原子（分子）总数h- Planck 常数常数均质形核率均质形核率(Becker,1940)(Turnbull和和Fisher，1949)Ns-吸附在异质基底吸附在异质基底S上的原子的数目上的原子的数目异质形核率异质形核率形核率公式的重要贡献是揭示影响形核率的因素。形核率公式的重要贡献是揭示影响形核率的因素。对于一定的材料，对于一定的材料，I受受G*和和两个因素影响。两个因素影响。G*取决取决于过冷度于过冷度T。形核速率形核速率I对过冷度对过冷度 T非常敏感非常敏感实际金属实际金属 T*为为 十十几几度度至至几几分分之之一一度度,不能任意加大。不能任意加大。End of 3.1 classical nucleation
