第三章金属的结晶 金属由液态转变为固态的过程称为凝 固,由于固态金属是晶体,故又把凝固称 为结晶。 §3.1结晶的过程和条件 液态金属的结构特点 金属键:导电性,正电阻温度系数 近程有序:近程规则排列的原子集团 结构起伏:近程规则排列的原子集团是 不 稳定的,处于时聚时散,时起时 伏,此起彼伏,不断变化和运动之 中,称为结构起伏。 结晶的结构条件:当近程规则排列的原子 集团达到一定的尺寸时,可能成为 结晶核心称为晶核,即由液态金属的 结构起伏提供了结晶核心。结构起
第三章 金属的结晶 金属由液态转变为固态的过程称为凝 固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称 为结晶。 §3.1 结晶的过程和条件 一、液态金属的结构特点 金属键：导电性，正电阻温度系数 近程有序：近程规则排列的原子集团 结构起伏：近程规则排列的原子集团是 不 稳定的，处于时聚时散，时起时 伏，此起彼伏，不断变化和运动之 中，称为结构起伏。 结晶的结构条件：当近程规则排列的原子 集团达到一定的尺寸时，可能成为 结晶核心称为晶核, 即由液态金属的 结构起伏提供了结晶核心。结构起
伏是金属结晶的结构条件 结晶过程 形核:液相中出现结晶核心即晶核; 晶核长大:晶核形成后不断长大,同时新 晶核不断形成并长大 不断形核、不断长大; 晶体形成:各晶核相互碰撞,形成取向各 异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体 形核与长大是晶体形成的一般规律。 单晶体与多晶体 、结晶的过冷现象 用热分析法获得液态金属在缓慢冷却 时温度随时间的变化关系,即冷却曲线 由冷却曲线可知,结晶时有过冷现 象:实际结晶温度Tn低于理论结晶温度 Tm的现象称为过冷。液态金属过冷是结 晶的必要条件。 过冷度:△T=Tm-Tn,其大小除与金 属的性质和纯度有关外,主要决定于冷却
伏是金属结晶的结构条件。 二、结晶过程 形核：液相中出现结晶核心即晶核； 晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新 晶核不断形成并长大； 不断形核、不断长大； 晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各 异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体 形核与长大是晶体形成的一般规律。 单晶体与多晶体 三、结晶的过冷现象 用热分析法获得液态金属在缓慢冷却 时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。 由冷却曲线可知，结晶时有过冷现 象：实际结晶温度 Tn 低于理论结晶温度 Tm 的现象称为过冷。液态金属过冷是结 晶的必要条件。 过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金 属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却
速度,一般冷却速度愈大,实际结晶温度 愈低,过冷度愈大。 四、结晶的热力学条件 热力学:研究热现象中物态转变和能 量转换规律的学科,主要研究平衡状态的 物理、化学过程。 热力学第二定律:在等温等压下, 自发过程自动进行的方向是体系自由焓降 低的方向,这个过程一直进行到自由焓具 有最低值为止,称为最小自由焓原理 利用最小自由焓原理分析结晶过程。 两相自由焓差是相变的驱动力。 金属结晶的热力学条件:固相自由焓 必须低于液相自由焓。 热力学条件与过冷条件的一致性
速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度 愈低，过冷度愈大。 四、结晶的热力学条件 热力学：研究热现象中物态转变和能 量转换规律的学科，主要研究平衡状态的 物理、化学过程。 热力学第二定律：在等温等压下， 自发过程自动进行的方向是体系自由焓降 低的方向，这个过程一直进行到自由焓具 有最低值为止，称为最小自由焓原理。 利用最小自由焓原理分析结晶过程。 两相自由焓差是相变的驱动力。 金属结晶的热力学条件：固相自由焓 必须低于液相自由焓。 热力学条件与过冷条件的一致性
§32形核的规律 形核方式:均匀形核(自发形核)与 非均匀形核(非自发形核)。 均匀形核 均匀形核:当液态金属很纯净时,在 相当大的过冷度下,固态晶核依靠液相内 部的结构起伏直接从液相中自发形成 (一)均匀形核的能量分析 液相中出现一个晶核,体系自由焓的 变化:液态→固态,体积自由能降低,即 △G=Gs-G<0;晶核形成会增加一个新的液 固相界面,增加了界面能即σS。体系自 由焓的变化为:△G=V△Gv+oS 设晶核为半径r的球体,则上式 为:△G=4/3r△G+4mr2a
§3.2 形核的规律 形核方式：均匀形核（自发形核）与 非均匀形核（非自发形核）。 一、 均匀形核 均匀形核：当液态金属很纯净时，在 相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内 部的结构起伏直接从液相中自发形成。 （一）均匀形核的能量分析 液相中出现一个晶核，体系自由焓的 变化：液态→固态，体积自由能降低，即 △GV=GS-GL<0;晶核形成会增加一个新的液 固相界面，增加了界面能即σS。体系自 由焓的变化为：△G=V△GV+σS 设晶核为半径 r 的球体，则上式 为：△G=4/3πr 3△GV+4πr 2σ
(二)形核条件分析 1.晶核尺寸 对△Gr关系曲线的分析 r称为临界晶核半径,其值可对上式 求导并令其等于零求得。 r=20/△Gy。 当r<r时,其长大会使体系自由焓 升高,故这样的原子集团不能充当晶核, 将熔化而消失,称为晶坯; 当r>r'时,其长大会使体系自由焓 下降,故这样的原子集团可充当晶核; 当r=r'时,其可能长大也可能熔化 消失,这是因为:长大会使体系自由焓降 低,但此时体系自由焓达到最大,且为正 值,体积自由焓的降低不能补偿界面能的 增加,还须从外界取得额外的能量供应, 即取得形核功才能成核。临界晶核与临界 晶核半径
（二）形核条件分析 1．晶核尺寸 对△G-r 关系曲线的分析。 r *称为临界晶核半径，其值可对上式 求导并令其等于零求得。 r * =-2σ/△GV 。 当 r< r *时，其长大会使体系自由焓 升高，故这样的原子集团不能充当晶核， 将熔化而消失，称为晶坯； 当 r> r *时，其长大会使体系自由焓 下降，故这样的原子集团可充当晶核； 当 r= r *时，其可能长大也可能熔化 消失，这是因为：长大会使体系自由焓降 低，但此时体系自由焓达到最大，且为正 值，体积自由焓的降低不能补偿界面能的 增加，还须从外界取得额外的能量供应， 即取得形核功才能成核。临界晶核与临界 晶核半径