《材料成形基本原理（第3版）》 课件 第4章 晶体形核与生长2.ppt

液→固方式？非均质形核作用？对于单位体积熔体，形核率与形核时间互为倒数关系，所以，图a的I-T图可反向转变为一个TTT图（“时间-温度-相变”曲线），图上的点代表不同温度下液相转变为固相的开始时间点。正常方式冷却时:结晶非常高冷速:玻璃转变在非均质形核的情况下，减小润湿角可使形核临界过冷度降低，使得开始结晶的温度离熔点更近(图中点划线)；且开始结晶时间更短。均质形核非均质形核在非常高的冷速下，例如在快速凝固工艺中，因时间不够充裕，晶核来不及形成，从而完全错过TTT图的结晶区域，继而粘度连续增加并将形成玻璃态（非晶）固体，即发生玻璃转变。非均质形核，由变化而轻微减小形核功，即可对形核率有显著升高使变为原来两倍，例如从50增为100，I将降低1022倍！形核功↓显著提高形核率举例形核功的微小改变即可对形核率产生极为显著的影响。由此可推论，非均质形核的形核率可以比均质形核的形核率高出若干数量级。异质形核基底不同（润湿角不同），形核率也会有显著差别。总结:原理上:减小形核功可细化晶粒;技术上:快冷以增大过冷度；加入与结晶相润湿性好的大量形核质点。该例说明均质与非均质形核的临界过冷度前述已知：当ΔT达到某一临界值后，晶核数开始迅速上升，这一临界值被视为临界形核过冷度ΔT*，亦称形核过冷度。计算及实验表明：纯金属大量均质形核的临界过冷度为熔点温度的20%左右均质形核的临界过冷度熔点0.13~0.25范围实验值非均质与均质形核比较：可见，与均质形核相比，非均质形核过冷度显著降低，形核率显著升高；润湿角越小，非均质形核的临界过冷度则越小；润湿角越小，形核功越小，异质形核率I越高假设I大致为1/cm3·s所对应的ΔT为临界ΔT*,且设熔点1500K，理论计算得非均质/均质形核过冷度及形核率非均质形核形核条件结晶相的晶格与杂质基底晶格的错配度的影响晶格结构越相似，它们之间的界面能越小，θ越小。杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差。第四节晶体生长一、固液界面的微观结构二、晶体生长方式一、固液界面的微观结构粗糙界面与光界滑面界面结构类型的本质与判据界面结构与熔融熵界面结构与晶面族界面结构与冷却速度及浓度（动力学因素）粗糙界面与光界滑面粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。原子尺度的粗糙与光滑界面，在微米尺度下的晶体界面显微形貌却往往相反：左图原子尺度光滑界面(下)，在微米尺度下观察其生长界面却是无规则，呈锯齿状高低不平(上)；右图所示原子尺度的粗糙界面（下），在一定条件下微米尺度下观察其生长界面却是平整的(上)界面结构类型的本质与判据如何判断凝固界面的微观结构？——这取决于晶体长大时的热力学条件。设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子位置有NA个原子()，则在熔点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固相上沉积的相对自由能变化为：α:Jackson因子?≤2的物质，凝固时固-液界面为粗糙面，因为ΔFS=0.5（晶体表面有一半空缺位置）时有一个极小值，即自由能最低。大部分金属属此类；凡属?＞5的物质凝固时界面为光滑面，?非常大时，ΔFS的两个最小值出现在x→0或1处（晶体表面位置已被占满）。非金属有机物及无机物属此类；?=2～5的物质，常为多种方式的混合，Bi、Si、Sb等属于此类。?被称为Jackson因子为单个原子的熔融熵若将?=2，=0.5同时代入（4-23），则：对一摩尔，熔融熵=4kBNA=4R,由（4-23）式可知：熔融熵上升，则?增大，所以≤4R时，界面以粗糙面为最稳定。熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于合金系统的热力学性质。界面结构类型的影响因素:熔融熵=界面结构类型的影响因素:熔融