文档介绍：第六章材料的凝固与气相沉积
凝固(Solidification) :
材料由液态至固态的转变过程。
基本概念
结晶(Crystallization):
材料由液态(非晶态)转变为结晶态固体的过程。
本章重点讨论:
凝固的基本过程和凝固热力学;
形核和长大规律;
合金凝固和成分过冷。
结晶过程不是一蹴而就的,而是通过形核、长大两个过程完成的。
结晶过程概述
图纯金属结晶过程示意图
当液态金属缓慢地冷到结晶温度以下,经过一定时间,开始出现第一批晶核。随时间推移,已形成的晶核不断长大,同时在液态中又会不断形成新的晶核并逐渐长大,直到液体全部消失为止。
结晶过程是由形核和长大两个过程交错重叠在一起的,对一个晶粒来说,它严格地区分为形核和长大两个阶段,但从整体上来说,两者是互相重叠交织在一起的。
液态金属的结构
液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序,短程有序,并且短程有序原子集团不是固定不变的,它是一种此消彼长,瞬息万变,尺寸不稳定的结构,这种现象称为结构起伏(相起伏),这有别于晶体的长程有序的稳定结构。
这种近程有序的原子集团称为晶胚。
在具备一定条件时,大于一定尺寸的晶胚就会成为可以长大的晶核。
金属结晶的冷却曲线测定
(Thermodynamic Conditions of Crystallization)
结晶的热力学条件
由热力学第二定律,在等温等压下,一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行,即ΔG ≤0。
ΔG = H - TS
图6—1 液态和固态的吉布斯自由能-温度曲线
a. 熵恒为正值,随温度升高而增大,所以自由能随温度升高而减小。
由于液态金属原子排列的混乱程度比固态金属大得多,故SL>SS,前者熵值比后者大,液态自由能随温度变化的曲线斜率比固态大。
在 T = Tm时
ΔGv = ΔGS –ΔGL = 0
要使ΔGv≤0,必有
T ≤Tm
这就是要求过冷的原因。
图6—1 液态和固态的吉布斯自由能-温度曲线
体系自由能降低( ΔGv≤0)是结晶的驱动力,其大小与过冷度有关。由热力学可以证明,在恒温恒压条件下,单位体积液体转变成固体的自由能变化为:
ΔGV = -Lm ΔT/Tm (6-4)
Lm为熔化潜热(吸热为正,放热为负)
此式表明,只有过冷度ΔT为正,才能保证ΔGV为负,凝固才有驱动力。过冷度越大,驱动力也越大。