第四章单组元晶体材料的凝固 晶体形成的一般过程 形核 晶体的生长 CORONA >凝固体的结构
第四章 单组元晶体材料的凝固 ➢晶体形成的一般过程 ➢形核 ➢晶体的生长 ➢凝固体的结构
第一节晶体形成的一般过程 概述 1、凝固与结晶 引子:自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且 在一定的条件下,它们可以发生互相转变。 凝结一蒸发 凝固:一切物质从液态到固态的转变过程的统称。凝固一熔化 结晶:晶体的形成形成过程。 CORONA 凝华 升华 晶体的形成过程包括,原始相可以是气体(凝华)、液 意义:材丰犢角较严泛酗崟属材料,属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来,即首先得到的是液态,经过冷却后才 得到固态,固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关,从而也影响材料的性能
第一节 晶体形成的一般过程 1、凝固与结晶 引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且 在一定的条件下，它们可以发生互相转变。 凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。 结晶：晶体的形成形成过程。 凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华 晶体的形成过程包括，原始相可以是气体(凝华)、液 态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。 意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。 一、概述
第一节晶体形成的一般过程 2、凝固状态的影响因素 引子:固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态,也可 以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面 1.物质的本质:原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。 温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低,而低温下按特定方 式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则 2.熔融液体的粘度:粘度表征流体中发生相对运动的阻力,随温 度降低,粘度不断增加,在到达结晶转变温度前,粘度增加到 能阻止在重力作用物质发生流动时,即可以保持固定的形状, 这时物质已经凝固,不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 3.熔融液体的冷却速度:冷却速度快,到达结晶温度原子来不及 重新排列就降到更低温度,最终到室温时难以重组合成晶体, 可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到10°℃/才能 获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下,金属材料凝固为晶体,这时的 凝固过程也是结晶过程
2、凝固状态的影响因素 第一节 晶体形成的一般过程 引子：固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态，也可 以成为规则排列的晶体。决定因素有三方面。 1. 物质的本质：原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。 温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低，而低温下按特定方 式排列结合能高可降低其总能量。这是热力学的基本原则。 2. 熔融液体的粘度：粘度表征流体中发生相对运动的阻力，随温 度降低，粘度不断增加，在到达结晶转变温度前，粘度增加到 能阻止在重力作用物质发生流动时，即可以保持固定的形状， 这时物质已经凝固，不能发生结晶。例如玻璃、高分子材料。 3. 熔融液体的冷却速度：冷却速度快，到达结晶温度原子来不及 重新排列就降到更低温度，最终到室温时难以重组合成晶体， 可以将无规则排列固定下来。金属材料需要达到106℃/s才能 获得非晶态。 在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝固为晶体，这时的 凝固过程也是结晶过程
第一节晶体形成的一般过程 二、结晶的热力学条件 结晶过程不是在任何情况下都能 △Gy=Gs-G1 自动发生。自然界的一切自发转变过 程总是向着自由能降低的方向进行。 在单一的组元情况下: G=-78 亚 dG=vdp sdT L 在恒压下,dp=0,因此 d S 温度T ds 液态和固态的吉布斯自由能温度曲线 d-T 其中S为熵,为正值;Cp为等压热容量,也是一正值。因此吉 布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式
二、结晶的热力学条件 第一节 晶体形成的一般过程 结晶过程不是在任何情况下都能 自动发生。自然界的一切自发转变过 程总是向着自由能降低的方向进行。 在单一的组元情况下： dG Vdp SdT G H TS = − = − 在恒压下，dp = 0，因此 S dT dG = − T C dT dS d T d G p = − = − 2 2 其中S为熵，为正值；Cp为等压热容量，也是一正值。因此吉 布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式
第一节晶体形成的一般过程 二、结晶的热力学条件 因为液体的熵值恒大于固体的熵, 所以液体的曲线下降的趋势更陡,两 曲线相交处的温度Tn,当温度TTn △Gv=Gs-Gu 时,液相和固相的自由能相等,处于 平衡共存,所以称T为临界点,也就萄 是理论凝固温度。当T<T时,从液 体向固体的转变使吉布斯自由能下降, 是自发过程,发生结晶过程;反之, 当T>T时,从固体向液体的转变使 吉布斯自由能下降,是自发过程,发 温度T 生熔化过程。 液态和固态的吉布斯自由能温度曲线 所以结晶过程的热力学条件就是 温度在理论熔点以下
二、结晶的热力学条件 第一节晶体形成的一般过程 因为液体的熵值恒大于固体的熵， 所以液体的曲线下降的趋势更陡，两 曲线相交处的温度Tm，当温度T= Tm 时，液相和固相的自由能相等，处于 平衡共存，所以称Tm为临界点，也就 是理论凝固温度。当T< Tm时，从液 体向固体的转变使吉布斯自由能下降， 是自发过程，发生结晶过程；反之， 当T> Tm时，从固体向液体的转变使 吉布斯自由能下降，是自发过程，发 生熔化过程。 所以结晶过程的热力学条件就是 温度在理论熔点以下