材料成形原理第3版 吴树森材料成形原理(第3版)第3章
27页1、主编:吴树森,柳玉起 (华中科技大学材料学院),机械工业出版社,第三章 液态金属的凝固形核 及生长方式,3-1 凝固热力学(均质生核),1、热力学条件: LS, G0, 过程自发进行,T=Tm时,,故GV只与T有关。因此液态金属(合金)凝固的驱动力是由过冷度提供的,或者说过冷度T就是凝固的驱动力。,图3-1,液态金属结晶的动力是由过冷提供的,不会在没有过冷度的情况下结晶 阻力: 新界面的形成 热力学能障 由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生 动力学能障 它由金属原子穿越界面过程所引起-原则上与驱动力大小无关而仅取决于界面结构与性质-激活自由能-晶体生长 在相变驱动力的驱使下,借助于起伏作用来克服能量障碍,液相与固相体积自由能之差-相变的驱动力 由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能-相变的阻力,3-2 均匀形核与异质形核,当r很小时,第二项起支配作用,体系自由能总的倾向是增加的,此时形核过程不能发生;只有当r增大到一定值r*后,第一项才能起主导作用,使体系自由能降低,形核过程才能发生,,3-3,临界形核半径 临界形核功,临界形核功等于表面能的1/3。 由液态金属中的能量起伏提
2、供,3-3,式中A*为形成临界晶核的表面积。可见,临界晶核生成功相当于临界晶核表面所引起的能量障碍的1/3,这也是生核时要求有较大过冷的原因。 液态金属在一定的过冷度下,临界核心由相起伏和结构起伏提供,临界生核功由能量起伏提供。 3、均质形核速率 形核率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目.临界尺寸r*的晶核处于介稳定状态。当rr*时才能成为稳定核心,即在r*的原子集团上附加一个或一个以上的原子即成为稳定核心。其成核率I为:,此式由两项组成:,1) ;由于生核功随过冷度增大而减小,它反比于T2。故随过冷度的增大,此项迅速增大,即生核速度迅速增大;,2) ;由于过冷增大时原子热运动减弱,故生核速度相应减小;,上述两个矛盾因素的综合作用,使生核速度I随过冷度T变化的曲线上出现一个极大值。过冷度开始增大时,前一项的贡献大于后一项,故这时生核速度随过冷度而增大;但当过冷度过大时,液体的粘度迅速增大,原子的活动能力迅速降低,后一项的影响大于前者,故生核速度逐渐下降。,4、均质形核理论的局限性 均质形核的过冷度很大,约为0.2Tm,如纯液态铁的T= 1590 0.2318。实际上金属结晶时的过冷
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