金属凝固原理形核凝固就是物质由液相转变为固相得过程,就是液态成形技术得核心问题,也就是材料研究与新材料开发领域共同关注得问题。严格地说,凝固包括:(1)由液体向晶态固体转变(结晶)(2)由液体向非晶态固体转变(玻璃化转变)常用工业合金或金属得凝固过程一般只涉及前者,本章主要讨论结晶过程得形核及晶体生长热力学与动力学。凝固过程包括:形核过程与晶体长大过程。凝固后得宏观组织由晶粒与晶界组成§3-1凝固得基本热力学条件一、液-固相变驱动力二、大量形核得过冷度()一、液-固相变驱动力Tm及ΔHm对一特定金属或合金为定值,所以过冷度ΔT就是影响相变驱动力得决定因素。过冷度ΔT越大,凝固相变驱动力ΔGV越大。二、大量形核得过冷度()小结:过冷引起液-固体积自由能之差就是凝固(形核)得基本热力学条件(必要条件)大量形核得过冷度()就是完成形核过程得充分条件。§3-2均质形核一、均质形核得热力学条件二、均质形核动力学三、均质形核得局限性一、均质形核得热力学条件(过程进行得条件)12令:得临界晶核半径r*:r*与ΔT成反比,即过冷度ΔT越大,r*越小;ΔG*与ΔT2成反比,过冷度ΔT越大,ΔG*越小。临界晶核得表面能为:二、均质形核动力学(过程进行得速度)三、均质形核理论得局限性均质形核就是对理想纯金属而言得,其过冷度很大,如纯液态铁得△T=1590X0、2=318℃。这比实际液态金属凝固时得过冷度大多了。实际上金属结晶时得过冷度一般为几分之一摄氏度到十几摄氏度。这说明了均质形核理论得局限性。因实际得液态金属(合金),都会含有多种固体夹杂物。同时其中还含有同质得原子集团。某些固体夹杂物与这些同质得原子集团即可作为凝固核心。固体夹杂物与固体原子集团对于液态金属而言为异质,因此,实际得液态金属(合金)在凝固过程中多为异质形核。虽然实际生产中几乎不存在均质形核,但其原理仍就是液态金属(合金)凝固过程中形核理论得基础。其她得形核理论也就是在它得基础上发展起来得。§3-3异质形核(非均质形核)一、异质形核得热力学条件如果液相中存在固相质点,且液相又能润湿质表面,则液体能在固相质点表面形成新相晶核。设生核衬底得质点表面为一平面,在其上生成一球冠得新相(见右图)。则系统自由能得变化为:得到类似于均质形核得系统自由能变化曲线(见下图),曲线有一最大值,该值对应得半径用表示,称为异质形核得临界晶核半径。令,得异质形核得临界晶核半径:同理可推导得异质形核得形核功:小结:异质形核与均质形核相比,其特点就是:·形核过冷度小·形核功小二、异质形核得机理(异质形核得条件)进一步研究细化后引入界面共格对应原则:·界面共格对应原则:固相杂质表面得原子排列规律与原子(晶粒细化剂得选择原则)间距与新相晶核相近。·界面共格对应原则得两种情况:(1)晶格类型相同,原子间距相近或成比例相近(尺寸原则)例1:Cu合金中加入Fe()例2:Mg合金中加入Zr(0、6~1、0%)两者均为六方晶格(2)晶格类型不同,但某一晶面之间存在共格对应例如:Al合金中加入Ti(0、2~0、3%)小结:界面共格对应原则得实质:增大固、液两相界面附着力,减小异质形核得形核功,使固相质点成为异质形核得有效衬底。2、固相杂质表面得粗糙度杂质表面得粗糙度对非均质形核得影响凹面杂质形核效率最高,平面次之,凸面最差。