凝固科学工程基础摘要.ppt

* 2、单晶体的制备： 单晶制备： 利用形核需较大过冷度，控制形核（超纯、小过冷度）。 a.尖端形核法 b.直拉法 — (可拉制Ф300mm的大直径单晶） c.区熔法 — （可生产高纯度Ф150mm的小直径单晶） * * 直拉单晶照片 * 65、75、81、87、92、2000年硅片发展趋势 * 3 定向凝固： 单一方向散热生产单一方向柱状晶零件，如蜗轮叶片，受力好。 定向单晶 普通 定向 * 4.非晶态合金 — 金属玻璃 高速凝固，将液态金属结构强制固定到室温。 a.电铸法：从溶液中沉积。 如非晶态镍 b.离心急冷法： 液态金属连续喷射到高 速旋转的冷却圆筒内壁。 c.轧制急冷法： * 5.微晶态合金— 喷雾急冷制粉 + 冷热挤压成型 制备超细晶粒的合金，μm或nm级，具有高强、高硬、超塑性。 如：Fe-Ni微晶合金：Hv=700，普通材料：Hv=250 Al-Cu微晶合金：δ=600% * * 不同材料的形核率 对粘性材料，如玻璃、氧化物陶瓷、高分子，当ΔT小时，△G*大，形核率低。ΔT大时，因Q高，也不容易形成晶体。 cm-3sec-1 对于金属材料，由于其扩散活化能Q低，凝固倾向很大，在达到 很大过冷度之前已凝固完毕，因 此不出现下降部分。 通过计算得出金属形核率满足： 0.2Tm Tm →ΔT * 均匀形核的主要障碍是表面能ΔGS的增高，如果液 体中有现成的基面，晶胚依附在上面形核，阻力减小， 形核容易。 1、非均匀形核的rc*和ΔGc* 设：在液态金属中，晶胚依附 在外来杂质或模壁W上形核， 晶胚为球冠状，曲率半径为rC， 与基面的润湿角为θ。 W σLW S σSW 二、非均匀形核 σLS rC h L θ θ * 其中： 非均匀形核因子 经推导，并与均匀形核相比较，可得： r* = rc* * 讨论： 在相同过冷度下，均匀形核与非均匀形核的临界晶核半径相等，∝1/ΔT。 K随θ从0o ～ 180o在0 ～ 1之间变化；K≤1 W θ=0o K=0 W θ=180o K=1 VC* V* 所需结构起伏小 ΔGC* ΔG* 所需能量起伏小 易于形核 W θ=90o K=1/2 * 2、非均匀形核率 及其影响因素 由于非均匀形核功较小，所以可在较小的过冷度下获得较高的形核率。 均匀与非均匀形核率具有相似的表达式，即： ΔT 0 0.2Tm 0.02Tm 两者形核功只相差一个K。 所以，凡影响均匀形核的因素， 对非均匀形核也有影响。此外： K和形核位置也有影响。 * 影响因素 与均匀形核相同，ΔT↗、rC*↘、ΔGC*↘、 ↗。 杂质与晶胚结构相似，原子间距相当，则： θ↘、 K↘、 ΔGC* ↘、 ↗。 杂质质点越多、越细小、表面越粗糙，与液态金属接 触面积越大，形核位置越多， ↗。 过热将使现有质点熔化减少，不利于形核。 * 3.4 长大 核心问题：长大速度、长大方式和形态。 从微观来看：原子总是存在相向跃迁。 L原子向S表面跃迁 — 凝固 S原子向L跃迁 —— 熔化 在不同温度下以上速度不等！ 一、晶体长大的条件 长大速率 — 单位时间L/S界面向前推进的距离。 L/S S L * 当L→S时，原子跃迁频率为： L/S S L L态 S态 G GL GS Q L/S界面 δ L S -ΔGS-L 其中：v为原子的振动频率 Q为扩散激活能 当S →L时： 其中：ΔGS-L = GS – GL 相变驱动力 ) exp( RT Q v f S L - = ? ) exp( RT G Q v f L S L S - ? D - - = * 设原子间距为δ（界面厚度），则： * 讨论： L/S界面前沿液相一侧 T Tm 时，驱动力ΔGS-L 0 结论：晶体长大的条件是L/S界面前沿液相一侧 必须过冷，此过冷度称为动态过冷度 — ΔTK 熔解 0 1 ) exp( \ D \ · - G RT G L S L/S前沿T=Tm时，ΔGS-L = 0， 动态平衡 0 = \ · G T Tm时，ΔGS-L 0， 凝固 0 \ · G )] exp( 1 )[ exp( RT G