金属(jīnshǔ)快速凝固2.1概述(Ɡàishù)金属的一般凝固过程金属凝固也是一种很普遍的人为现象，如钢锭的凝固、铸件的凝固、连续铸坯的凝固、高温合金的定向凝固、金属焊缝的凝固等都与凝固密切相关。凝固的作用：在冶金生产、铸件生产和金属材料制备中，凝固是基本过程之一，具有十分重要(zhòngyào)的作用。金属凝固定义：金属熔体在冷却过程中由液态转变为固态晶体的过程。晶态金属的凝固属于一级相变，即从微观看，凝固过程不能突变，而是包含形核与长大两个阶段的渐变过程。另外(lìnɡwài)，凝固过程中还伴随着溶质再分配、成分过冷和成分偏析。（1）形核从金属液中形成结晶核心，必须满足一定(yīdìng)的热力学和动力学条件。热力学条件：以纯金属或单相合金的均匀形核为例。从金属液中形成晶核时，单位体积的自由能变化应该满足下式：/如果(rúguǒ)忽略H、S随金属熔体温度而发生的变化，同时假设纯金属或单相合金的晶核表面为平面，当T=Tm时，下式成立：将（3）式带入（1）式，得:当金属熔体的温度低于其平衡熔点温度时，单位体积金属的固液自由能差小于零，即形核才有驱动力。因为实际晶核的表面为曲面，使晶核固相的实际熔点低于Tm，所以(suǒyǐ)，为了保证形核的进行，必须具有足够的过冷度。动力学条件：从热力学条件分析，只要⊿T0，形核就有驱动力，形核就可以进行，但实际上，有时当⊿T0时，热力学上的驱动力对形核仍然不够，这时形核还必须(bìxū)满足一定的动力学条件。假定晶核为半径r的小球，形核时其系统的自由(zìyóu)能变化为：将（5）式的各个部分与r的关系作成图2-1。由图2-1分析，当晶核半径小于某一个(yīɡè)值时，晶核系统的自由能⊿G随晶核半径的增加而变大，即晶核的成长变得越加困难；只有当晶核半径超过某一个(yīɡè)值时，晶核系统的自由能⊿G随晶核半径的增加而变小，即晶核的成长变得越加容易；晶核系统的自由能随晶核半径的变化存在一个(yīɡè)极大值。图2-1金属(jīnshǔ)均匀形核时能量变化规律对（5）式的系统自由能⊿G求极大值，该极大值及所对应(duìyìng)的晶核半径为：rc为临界晶核半径，⊿Gc为形核势垒或形核功，即当晶核半径小于rc，随着晶核的增大，其系统的自由能不断变大，最大值为⊿Gc，而且大于零。形核势垒无法由热力学驱动力克服，只能由能量涨落克服，即如果(rúguǒ)临界晶核具有⊿Gc的额外能量，这个临界晶核就可以存在下去，如果(rúguǒ)临界晶核不具备的额外能量，这个临界晶核就无法存在下去，将会消失。从（7）式看，过冷度越大，形核势垒越小，由能量涨落提供形核的额外能量就越小，金属熔体形核就越容易。如果存在外来的形核基底，即外来核心，金属熔体形成晶核的势垒可能(kěnéng)会进一步减小，这就是非均匀形核。非均匀形核时的势垒如下式：/（2）晶核长大晶核长大就是指晶核的固液界面不断向熔体中推进的过程。当晶核半径r>rc后，晶核的长大将伴随系统自由能的减小，晶核将自动的不断长大。晶核的长大方式：粗糙界面的连续长大，即晶核固液界面向熔体中连续推进；平整界面的二维晶核长大，即晶核固液界面上原子台阶侧向移动的间接(jiànjiē)向前推进的不连续长大；螺旋位错长大，即液体原子沿晶核螺旋位错的台阶逐层地堆砌推进，也属于不连续长大。晶核的长大(chánꞬdà)方式主要取决于熔化熵的大小。金属的熔化熵一般都比较小（<17J/molK）,晶核固相界面为粗糙界面，以连续方式长大(chánꞬdà)；大多数非金属晶体的熔化熵比较大，晶核固相界面为光滑界面，以不连续方式长大(chánꞬdà)。（3）晶粒尺寸、形貌和溶质再分配晶粒尺寸：金属最终晶粒的尺寸主要与形核速率I和长大速率R有关，即单位体积金属中的晶粒数目N越大，晶粒尺寸就越小，晶粒就越细，它们之间的关系(guānxì)符合下式：晶体形貌(xínɡmào)：金属晶体的形貌(xínɡmào)取决于固液界面前沿的温度梯度和熔化熵⊿Sm。如果从固相向液相的温度梯度为正：对于熔化熵⊿Sm>17J/molK的非金属，固液界面为平滑的晶体小平面，晶体形貌(xínɡmào)为规则的几何形状；对于熔化熵⊿Sm<17J/molK的金属，固液界面为平面，晶体形貌(xínɡmào)为任意形状。如果从固相向液相的温度梯度为负:对于熔化熵⊿Sm<17J/molK的金属(jīnshǔ)，晶体形貌为树枝晶；对于熔化熵⊿Sm>17J/molK的非金属(jīnshǔ)，只要熔化熵不是很大，晶体形貌也易于发展为树枝晶，对于熔化熵⊿Sm很大的非金属(jīnshǔ)，晶体形貌仍为规则的几何