大学材料科学基础第6章--材料的凝固与气相沉积
69页1、1,第六章 材料的凝固与气相沉积,凝固材料从液态到固态的转变过程。 研究它们的结晶过程以及影响与控制生产质量的因素,是至关重要的。,2,第一节 材料凝固时晶核的形成,一、均匀形核 均匀形核在液体内部由于过冷而自发形核。 液固、气固,固态下的转变,都必须满足热力学条件。只有使系统自由能降低的过程,才会自动进行。 转变的热力学判据: GO GHTS 式中,H是热焓;T是热力学温度;S是熵。由上式可得: 在可逆过程中dSQ/T,式(61)可改写为: 恒压条件下,dHQ,于是,3,结论: 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SLSS,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。 二曲线的交点,所对应的温度就是金属的理论凝固温度Tm,也就是金属的熔点。 只有当熔液温度低于Tm时,才能使GSGL,GGSGL0,液相才能自发地转变为固相。 G是液固转变驱动力。,图6-1 液态和固态的吉布斯自由能-温度曲线,4,G的大小,单位体积液相和固相自由能的差为Gv,GV GSGL, 得: GV (HSHL)T(SSS
2、L) (63) 在恒压条件下(HSHL)-Lm,在理论凝固温度时GV0, 所以:(SSSL) ,代入式(63)得: 式中,Lm为熔化潜热。吸热为正值,放热为负值,故GV 0。 T称为过冷度,即理论凝固温度与实际凝固温度之差。 液态凝固时必须要有一定的过冷度。过冷度越大,GV的绝对值越大,凝固的驱动力也越大。,5,形核的临界条件,液相中要能形成固相的晶核,必须要达到一临 界过冷度。因为一旦熔液中有晶胚出现时,就 需考虑体系总自由能的变化。 设晶胚为球形,半径为r,单位体积自由能为GV,晶胚单位面积表面能为,则体系总自由能的变化为 (6-5) 式中,第一项体积自由能使体系自由能降低;第二项表面能恒为正值,使体系自由能升高。,图 6-2 晶核半径与G的关系,6,临界晶核尺寸,当r rk时,使体系自由能降低,可以进一步长大, 只有r rk的晶体才称为晶核。 临界晶核尺寸rk: 令 = 0,r = rk,则有 将rk代入式(65) ,整理得: 临界晶核形成功 晶核表面积Ak为4rk2 ,= GV 4 r2 +8r,7,临界晶核形成功等于表面能的l/3。这意味着形成临界晶核时,液、固两 相体积自由
3、能差值只能补偿表面能的2/3,而另外的l/3则靠系统自身存在 的能量起伏(系统中局部能量偏离平均值的情况)来补偿。 用过冷度表达临界晶核形成功,8,晶核的物理过程,液态原子的排列短程有序,与气体完全不同。其熔化潜热只有蒸发潜热的34; 据计算l mm3的Cu在熔点时约含1020个原子,平均含有半径为0.3 nm (约10个原子) 的原子团1015个,含有半径为0.6 nm (约100个原子) 的原子团只有10个; rk、Gk随T增加而减小,而过冷度增加产生尺寸大的原子团的机率也越大。当rmax达到rk时就可能成为晶核。 临界过冷度GN低于临界过冷度的小尺寸原子团不稳定而被溶解或消失,只有r rk才能成为晶核。,图6-3 临界晶核rk原子团最大尺寸rmax与过冷度的关系,9,例题,试估计l mm3Cu在熔点时,液体中分别含有半径尺寸为10个原子、60个原子、100个原子的原子团有多少? 假定原子团为球形,Cu原子体积为1.610-29 m3,界面能rSL为0.177Jm2,k1.381023JK-1,Tm1356K。 液体中由于能量起伏会出现一些大小不等的不规则原子团,时而出现时而消失。
4、出现尺寸为r的原子团nr的几率为: 式中,n0为系统总的原子数;Gr为生成尺寸为r的原子团引起体系自由能的变化。 根据: 在熔点, GV 0,所以 Gr 4r2 rSL 尺寸为r的原子团含nC个原子,原子体积为,即r3 nC,nr = n0 exp,10,二、形核率,形核率单位时间、单位体积中形成的晶核数1/(scm3) 从热力学考虑,那些具有临界晶核尺寸并能克服临界晶核形成功Gk的微小体积,其出现的机率为 但是要形成稳定的晶核,还必须有原子从液相中转移到晶核表面上使之成长。原子扩散到晶核表面,必须要克服能垒GA (常称为激活能)。原子能克服能垒GA的机率为: 形核率N取决于形核与克服能垒几率的乘积,exp,exp,11,第一项是随过冷度增加而急剧增加(Gk与T2成反比) 第二项中的激活能GA对温度变化不大敏感 过冷度小时受形核率受所控制 过冷度大时受形核能垒受所控制,12,液态金属很难过冷,即形核能垒不是金属的形核障碍。多数金属小液滴的临界过冷度约为0.2Tm (熔点K),即使在这样大的过冷度下,金属仍显示出其强烈的结晶倾向,而未表现出有被减缓或抑止的特征 。 但是有机物质则有可能过
《大学材料科学基础第6章--材料的凝固与气相沉积》由会员小**分享,可在线阅读,更多相关《大学材料科学基础第6章--材料的凝固与气相沉积》请在金锄头文库上搜索。
2020年高考真题——理科综合(全国卷Ⅲ)+Word版含答案
2021年绝味鸭脖策划书
2021年熟食店创业方案
2021年熟食店开店策划
2021年卤菜店创业计划书
2021年周黑鸭网络营销策划方案
东大21年1月考试《现代设计方法》考核作业
谈我国行政管理效率的现状及其改观对策(论文)
单证员考试-备考辅导-复习资料:无贸易背景信用证案分析.docx
土木工程毕业生答辩自述.docx
建筑学毕业后工作状态真实写照.doc
C#代码规范(湖南大学).doc
xx区食药监局2019年工作总结及2020年工作计划
2019年中医院药物维持治疗门诊工人先锋号先进事迹
2019年度xx乡镇林长制工作总结
2019年性艾科工作计划书
2019年人才服务局全国扶贫日活动开展情况总结
关于组工信息选题的几点思考
摘了穷帽子 有了新模样
2019年某集团公司基层党支部书记培训班心得体会
2024-01-31 15页
2024-01-31 21页
2024-01-31 37页
2024-01-31 30页
2024-01-31 22页
2024-01-31 48页
2024-01-31 32页
2024-01-31 40页
2024-01-31 31页
2024-01-31 20页