文档介绍：金属工艺学
本讲稿第一页，共三十九页
结晶 ：
金属由液态转变为晶体金属的过程
——金属生产的第一步
本章目的：
1. 了解金属结晶过程的形核、长大。
2. 能
本讲稿第十八页，共三十九页
假设晶胚为球体，半径为r，则：
ΔG = －4/3·πr3·ΔGV + 4πr2·σ
假设晶胚体积为V,表面积为S，则
系统总的自由能变化：
ΔG =－ V·ΔG V +S·σ
单位面积表面能
液固两相单位体积自由能
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分析右图：
当 r > r0 时，
① 系统的ΔG < 0
结晶过程可发生；
——形成稳定晶核
② 随 r ↑， ΔG ↓
晶核长大为系统自由能降低过程；
——晶核可长大
r0
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当 r < r0 时，
ΔG > 0, 热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同：
① 当 r < rk 时，
随 r ↑， ΔG ↑
—— 晶胚尺寸减小为自发过程→会瞬间离散, 只能保持结构起伏状态，不能长大。
r0
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② 当 rk < r < r0时，
随 r ↑， ΔG ↓
┗晶胚长大为自发过程
即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的 。
r0
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注意：
实际当rk < r < r0时，ΔG>0, 按热力学理论L→S不能发生，然而:
rk ：为临界晶核尺寸
原因:
——过冷液体中存在能量起伏, 其中高能区可能使ΔG <0 。
r0
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微分, 求得：
rk ＝2σ/ΔGV
＝2σ·Tm/(Δ Hf·ΔT)
——临界晶核尺寸
临界晶核半径与过冷度的关系：
随ΔT↑， rk ↓；
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ΔTk: 晶胚 → 晶核
——临界过冷度
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（2）形核功以及形核时的能量起伏现象
事实上，当r ＝ rk 时系统的ΔG > 0, 此时：
结晶总阻力
形核功：过冷液体形核时的障碍
ΔGk ＝1/3 ·(4πr2k) ·σ
＝1/3 ·Sk·σ
代入球形晶胚自由能表达式可得：
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事实上，只要 r > rk, 即为稳定晶核。
原因：
液体中除结构起伏外，还存在能量起伏
故形核功可以依靠能量起伏来补偿
结论：
除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件
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形核功的影响因素 ：
——随ΔT ↑，ΔG↓↓
即：增大过冷度，可显著降低形核阻力
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（3） 形核率（N = cm -3 s –1）：
单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。
意义: N 越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。
形核率控制因素:
N = N1• N2
N 1 ─受形核功影响的因子；(ΔT↑, N 1↑)
N 2 ─受扩散控制的因子。(ΔT↑, N 2↓)
┗ ΔT对N的影响矛盾、复杂
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实际纯金属： 随ΔT↑, N↑;
且ΔT =
金属玻璃
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2 非均匀形核（非自发形核）：
晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。
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θ=0º，f(θ)=0,ΔG’K=0 界面与晶核完全润湿
θ=180º，f(θ)=1, ΔG’K= ΔG 均界面与晶核完全不润湿
θ一般在0º - 180º ，0< f(θ) <1， ΔG’K总是小于 ΔG *均界面与晶核部分润湿
θ越小 ΔG’K小，夹杂界面的非均质形核能力越强，形核过冷度越小
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过冷度的影响：
形核功↓；
ΔT=
┗ 远小于均匀形核
非均质形核的形核率
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