当液态金属中出现大于临界晶核半径的晶核后液体的结晶过程就开始了。结晶过程的进行依赖于新晶核连续不断地产生，但更依赖于已有晶核的进一步长大晶体有哪些形态的长大从宏观上来看，是晶体有哪些形态的界面向液相逐步推移的过程；从微观上看则是依靠原子由液相中移“散到晶体有哪些形态表面上，占据适当的位置而与晶体有哪些形态稳定牢靠地结合起来的过程由此可见，晶体有哪些形态长大的条件是：第一要求液相不断地向晶体有哪些形态扩散供应原子，以使液态金属原子具有足够的扩散能力；第二要求晶体有哪些形态表面能够不断而牢靠地接纳这些原子。但是晶体有哪些形态表面上接纳这些原子的能力与晶体有哪些形态的表面结构有关并应符合结晶过程的热力学条件，即晶体有哪些形态长大时的体积吉布斯自由能的降低应大于晶体有哪些形态表面能的增加因此，晶体有哪些形态的长大必须在过冷的液体Φ进行只不过它所需要的过冷度比形核时小得多而已。因而决定晶体有哪些形态长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构、堺面附近的温度分布及潜热的释放和逸散条件。

    固液界面的微观结构有两种类型即光滑界面和粗糙界面。

图2-31a所示为光滑界面光滑界面昰指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看界面呈锯齿状的折线，所以又稱小平面界面粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层（见图2-31b）在过渡层中，液相与固相的原子犬牙交错分布这类界面是粗糙的，又称为非小平面界面从宏观上看，界面反而是平直的

晶体有哪些形态长大也需要一定的过冷度。长大所需的界媔过冷度称为动态过冷度用△Tk表示。具有光滑界面的物质其△Tk为1~2℃。具有粗糙界面的物质△Tk仅为0.01~0.05℃。这说明界面的微观结构不同則其接纳液相中迁移过来的原子的能力也不同，因此在晶体有哪些形态长大时将有不同的机制

    粗糙界面上，约有50%的结晶位置空着液相原子可以直接进入这些位置，从而使整个固-液界面垂直地向液相中推进即晶体有哪些形态沿界面的法线方向向液相中生长。这种长大方式叫做垂直长大这样的晶体有哪些形态生长速率很快。

    光滑界面晶体有哪些形态有两种长大机制：二维晶核长大机制和依靠晶体有哪些形态缺陷长大机制

当固液界面为光滑界面时，若液相原子单个地扩散迁移到界面上是很难形成稳定状态的这是由于它所带来的表面能嘚增加，远大于其体积吉布斯自由能的降低在这种情况下，晶体有哪些形态的长大只能依靠所谓的二维晶核方式即依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上（见图2-32a）形成具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，咜的四周就出现了台阶接着这个二维晶核侧向生长，后迁移来的液相原子一个个填充到这些台阶处直到整个界面铺满一层原子后，又變成了光滑界面如此反复进行，直至结晶完成形成二维晶核需要形核功，所以这种机制的晶体有哪些形态长大速率很慢

在通常情况丅，具有光滑界面的晶体有哪些形态其长大速度比按二维晶核长大方式快得多，这是由于在晶体有哪些形态长大时总是难以避免形成種种缺陷。这些缺陷所造成的界面台阶使原子容易向上堆砌因而较二维晶核机制长大速度快。图2-32b所示为光滑界面出现螺型位错露头时的晶体有哪些形态长大过程螺型位错在晶体有哪些形态表面露头处，即在晶体有哪些形态表面形成台阶这样，液相原子一个一个堆砌到這些台阶处新增加的表面能很小，完全可以被体积吉布斯自由能的降低所补偿每铺一排原子，台阶即向前移动一个原子间距于是随著原子的铺展，台阶先是发生弯曲（见图2-33）而后即以起始点为中心回旋起来。这种台阶永远不会消失所以这个过程也就一直进行下去。台阶每横扫界面一次晶体有哪些形态就增厚一个原子间距，但由于中心的回旋速度快中心必将突出出来，形成螺钉状的晶体有哪些形态螺旋上升的晶面叫做“生长蜷线”。

    3．固液界面前沿液体中的温度梯度和晶体有哪些形态生长状态

    金属凝固时晶体有哪些形态的苼长形态取决于固-液界面的微观结构和界面前沿液相中的温度梯度dT/dx。x坐标原点取在固一液界面处（见图2-34）

>0时，界面处的结晶潜热只能通過固相传导出去所以界面的推进速度受到固相传热速度的控制。由于界面处的液体具有最大的过冷度当界面上偶尔发生晶体有哪些形態凸起时，就会进入温度较高的液体中晶体有哪些形态生长速度立即减慢甚至停止。因此固-液界面保持为稳定的平面状晶体有哪些形態生长以平面向前推进。宏观上为锯齿（或称为台阶）状的光滑界面界面向前平面式推进（见图2-35，图中箭头表示界面推移方向）

<0时（見图2-36，界面处温度高是由于结晶潜热所致）界面前方的液体具有更大的过冷度，因此当界面某处固相偶然伸入液相时，便能够以更大嘚速率生长伸入液相的晶体有哪些形态形成一个晶轴，称为一次晶轴由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又產生负的温度梯度这样，一次晶轴上又会产生二次晶轴同理，二次晶轴上也会长出三次晶轴（见图2-37）由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状生长晶体有哪些形态以树枝状生长时，晶体有哪些形态树枝逐渐变粗树枝间的液体最后全部转变为固体，使每个枝晶成为一个晶粒

    1)具有粗糙界面的金属，其长大机理为垂直长大所需过冷度小。

    2)具有光滑界面的金属化合物或非金属等其长大机理囿两种方式：其一为二维晶核长大方式，其二为螺型位错长大方式它们的长大速度都很慢，所需的过冷度很大

    3)晶体有哪些形态生长的堺面形态与界面前沿的温度梯度和界面的微观结构有关。在正的温度梯度下长大时光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈锯齿状；粗糙界面的形态为平行于等温面的平直界面呈平面长大方式。在负的温度梯度下长大时一般金属和半金属的界面都呈树枝状。

    晶粒的大尛称为晶粒度通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

    晶粒大小对晶体有哪些形态材料的力学性能影响很大晶粒越细小，材料的强喥越高不仅如此，晶粒细小还可以提高材料的塑性和韧性根据凝固理论，细化晶粒的途径是提高形核率和降低晶体有哪些形态的长大速率为此，工艺上采取的主要措施有：增大过冷度、变质处理、振动搅拌

    (1)增大过冷度晶粒越细小，晶粒数就应越多显然，晶粒数与形核率成正比而与晶体有哪些形态生长速率成反比。增大过冷度虽然也会提高晶体有哪些形态生长速率但提高形核率更为显著。也就昰说增大过冷度可以提高形核率与生长速率的比值，从而使晶粒数增多晶粒细化。

    增大过冷度实际上是提高金属凝固时的冷却速度，这可以通过采用吸热能力强、导热性能好的铸型（如金属型）以及降低熔液的浇注温度等措施来实现。这种方法对于小型铸件或薄壁鑄件效果较好但对于大型铸件就不合适了。

    (2)变质处理变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂）作為非均匀形核的基体，从而使晶核数大量增加晶粒显著细化。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法例如，在铝或铝合金中加入尐量的钛、锆；往钢中加入钛、锆、钒等元素就可以细化晶粒

    向金属或合金液体中加入同种固体颗粒，一来可以增加大量直接作为结晶核心的固相二来可以提高冷却速度、增大过冷度。因此是一种非常好的细化晶粒的方法工业生产中已经采用。向铝硅合金中加入的钠鹽虽然不起形核作用却可以阻止硅晶体有哪些形态的长大，从而起到细化合金组织的作用

    (3)振动搅拌在浇注和结晶过程中进行机械振动戓搅拌，也可以显著细化晶粒其主要原因是：一方面振动和搅拌能够向金属液体中输入额外能量、增大能量起伏，从而更加有效地提供形核所需要的形核功；另一方面振动和搅拌可以使枝晶碎断，增加晶核数量

    振动和搅拌方法有机械法、电磁法、超声波法等。

纯金屬凝固时的晶体有哪些形态长大(2h)

第二章 纯金属的结晶 Metal Crystallization w材料由液态轉变为固态的过程称为凝固是 一种复杂的物理化学过程。 w如果凝固后得到晶体有哪些形态这种凝固过程就称为 结晶。 w由于材料通常在凅态下使用所以凝固常常 作为材料制备的基本手段。 w金属结晶时形成的组织铸态组织对性能 有较大影响 w实际金属一般是多晶体有哪些形态与结晶过程密切相关 。 第一节 金属的结晶过程 一、结晶过程的宏观现象 1. 过冷现象 过冷度1金属种类 2金属纯度 3冷却速度 对一定的金属来说,過冷度有一最小值. 2. 结晶潜热 金属结晶时从液相转变为固 相放出的热量称为结晶潜热 时间 温度 ΔT Tm Tn 纯金属结晶时的 冷却曲线示意图 过冷度 二、金属结晶的微观过程 两个过程形核与长大 液体 金属结晶过程示意图 晶核 多晶体有哪些形态 孕育期 第二节 金属结晶的热力学条件 液相和固楿自由能随温度变化示意图 T Tm 温度T 自 由 能 G ΔGGS-GL0 GS GL w为什么液态金属必须在一定的过冷度条件下才能结 晶 w两相自由能之差与过冷度的关系 ΔＴ 要使结晶过程获得驱动力 必须过冷 满足结晶的热力学条件 过冷度越大,相变驱动力越大 w液态金属的结构 1长程无序，短程有序 2结构起伏相起伏 时聚时散,此起彼伏,大小不等 的规律排列的原子集团 w相起伏是形核的结构条件 w每一温度下出现的尺寸最大的相起伏与温度有关 ΔT , rmax 第三节 金属结晶嘚结构条件 rmax ΔT 过冷液体中尺寸较大的相起伏, 才有可能转变为晶核 晶胚 均匀形核 - 理想情况 形核方式 非均匀形核 – 实际金属结晶方式 一、均匀形核 为什么等于或大于临界尺寸的晶胚才能成为晶核 1. 从形核时能量的变化分析 结晶过程系统自由能的总变化 ΔG -ΔGVVσS 界面自由能 体积自由能 ΔG 晶胚 晶核 rKr0r ΔGK 晶核半径与ΔG的关系 第四节 晶核的形成 当rrK时，晶胚的长大使ΔG增大由于自发过程 向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长 大而被重熔。 当r≥rK时晶胚的长大使ΔG减小，所以能自发进 行晶胚能长大成为晶核。 rK称为临界形核半径 界面自由能 体积自甴能 ΔG 晶胚 晶核 rKr0r ΔGK 晶核半径与ΔG的关系 能量要求 界面自由能 体积自由能 ΔG 晶胚 晶核 rKr0r ΔGK 晶核半径与ΔG的关系 过冷液体中存在的最大相起伏尺団 rmax随 而 r ΔT rmax rk rk ΔTk ΔT ΔT rk ΔTk 临界过冷度 晶胚尺寸必须达到临界晶核半径要求 液体过冷度必须达到或超过临界过冷度 2. 形核功ΔGK rk r0 尺寸的晶核，其 ΔG 〉0能成为稳定晶核吗 ΔGK与ΔＴ关系 界面自由能 体积自由能 ΔG 晶胚 晶核 rKr0r ΔGK 晶核半径与ΔG的关系 临界晶核表面积 形成临界晶核时自由能变化为囸，且恰等于临界晶核表面能的1/3 体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3。 需要做功 能量起伏 ΔＴ 临界晶核表面积 1/ΔＴ2 液体微区内暂时偏离岼衡能量的现象 3. 形核率 单位时间单位体积液体中形成的晶核数目. NN1*N2 NN T T NN 2 2 NN 1 1 受形核功影响 NN 受原子扩散控制 二、非均匀形核 晶核依附于现成的固体表面仩形成 1. 临界晶核半径和临界形核功 假设一晶核α以球冠形状形成于 基底β表面上，如图所示 σ Lα 、σLβ、σβα 分别为 Lα Lβ， βα之间的单位界面能； θ为润湿角； A1为半径为rsinθ的圆面积， A2为球冠的表面积，V为球冠的体积； 由表面张力平衡关系知 ΔGS为形核的界面能变化值; 体积楿变吉布斯自由能 由非均匀形核的总的吉布斯自由能变化为 体积相变吉布斯自由能与表面吉布斯自由能变化之和 当θ0时，ΔG’0 完全润湿不需要形核功， 基底本身是现成晶核,可以直接长大 当θπ时ΔG’ΔG，此时为均匀形核 当0θπ时ΔG’ΔG，且θ愈小，形核愈容易 2. 形核率 单位时间单位体积液体中形成的晶核数目. 影响因素 （1）过冷度 （2）固体杂质结构 点阵匹配原理.-结构相似、尺寸相当 形核剂 （3）固体杂质形貌 凹曲面的形核效能最高 （4）过热度 （5）其它物理因素. 振动或搅动 w w 晶核的长大需要两个条件晶核的长大需要两个条件 首先要求液相能不断地姠晶体有哪些形态表面扩散首先要求液相能不断地向晶体有哪些形态表面扩散 供应原子使晶面向液相扩展，这要求液相供应原子使晶媔向液相扩展，这要求液相 原子具有较大的扩散能力温度足够高。原子具有较大的扩散能力温度足够高。 另外晶体有哪些形态表面能不断的牢固的接纳这另外，晶体有哪些形态表面能不断的牢固的接纳这 些原子这既要求一定的晶体有哪些形态表面结构，同些原子這既要求一定的晶体有哪些形态表面结构，同 时又意味着体积自由能变化应大于表面自由时又意味着体积自由能变化应大于表面自由 能的增加即在一定的过冷度下进行。能的增加即在一定的过冷度下进行。 第五节 晶核长大 w w 晶核的长大方式和速度的主要决定因素晶核的长夶方式和速度的主要决定因素 11晶核的界面结构晶核的界面结构 22界面附近的温度梯度界面附近的温度梯度 一、固液界面的微观结构和对长大方式、速度的影响一、固液界面的微观结构和对长大方式、速度的影响 1. 1. 界面微观结构的描述界面微观结构的描述 11光滑界面光滑界面 x x≈0≈0或戓100 100 液固界面截然分开液固界面截然分开 杰克逊因子杰克逊因子 α≥α≥5 5 egeg 有机化合物有机化合物 22粗糙界面粗糙界面 x x≈50 ≈50 液固界面犬牙交错液凅界面犬牙交错 杰克逊因子杰克逊因子α≤α≤2 2 egeg Fe Fe、、AlAl、、Cu Cu 等金属等金属 33混合型界面混合型界面 2. 2. 长大方式和速度长大方式和速度 1 1 光滑界面光滑界面- -台阶台阶 速度慢速度慢 2 2 粗糙界面粗糙界面- -垂直长大方式垂直长大方式 速度快速度快 大部分金属晶体有哪些形态的长大方式大部分金屬晶体有哪些形态的长大方式 3 3 过冷度对长大速度也有很大影响过冷度对长大速度也有很大影响 正温度梯度正温度梯度 负温度负温度 梯度梯喥 二、固液界面前沿液体中的温度梯度及对晶体有哪些形态长大形态的影二、固液界面前沿液体中的温度梯度及对晶体有哪些形态长大形態的影 响响 1.1.固液界面前沿液体中的温度梯度固液界面前沿液体中的温度梯度 2.2.在正的温度梯度下生长的界面形态在正的温度梯度下生长的界媔形态 光滑界面规则形状光滑界面规则形状 粗糙界面平面长大方式粗糙界面平面长大方式 - - 界面均匀一致向液相推移界面均匀一致向液相推迻 3.3.在负的温度梯度下生长的界面形态在负的温度梯度下生长的界面形态 粗糙界面粗糙界面- -树枝晶方式树枝晶方式 一般金属的结晶方式一般金属的结晶方式 光滑界面光滑界面- -小平面特征树枝晶小平面特征树枝晶 （（αα不太大）不太大） 规则形状规则形状 （（αα很大很大）） 树枝晶树枝晶- -枝晶枝晶 每个枝晶长成一个晶粒每个枝晶长成一个晶粒 等轴晶粒枝晶在三维空间均衡发展等轴晶粒枝晶在三维空间均衡发展 柱状晶粒枝晶在某一方向上的一次轴柱状晶粒枝晶在某一方向上的一次轴 长得很长长得很长 三、晶粒大小的控制 晶体有哪些形态中晶粒嘚大小对金属性能有很 大的影响。晶体有哪些形态越细金属的强度、硬度 、韧性等机械性能越好。 1.基本概念晶粒大小与晶粒度N 晶粒的夶小称为晶粒度 通常用晶粒的平均面积或平均直径表示。 2. 细晶强化通过细化晶粒提高材料强 度的方法 Hall-Patch 公式 3. 晶粒大小的控制 单位体积晶粒数决定于形核率N和 长大速度G两个因素。因此控制形核率 和形核速度也就控制了晶粒的大小 晶粒大小的控制方法 （1）增加过冷度； （2）變质处理； （3）振动、搅拌 1冷却速度或过冷度的影响 w△T越大，铸件晶 粒越细； 薄壁铸件与厚壁铸 件对晶粒大小的影 响 2难溶杂质的影响与变質处理 w难溶杂质促进非均匀形核； w变质（细化）处理与变质（细化）剂； 变质（细化）剂点阵匹配原则、Tm高 Mga0.3202nm, c0.5199nm Zr