材料科学基础课件：凝固与结晶-基础理论-.pptVIP

小结： 均匀形核条件： 1.能量起伏： 2.结构起伏(相起伏)： 3.足够的过冷度： 充分条件 必要条件 能量起伏 相起伏 晶胚(小原子团，类晶体） 晶核 胚芽(晶胚)被冻结(过冷度) 小结： rc曲率半径； 接触角θ越小， 晶核体积/表面积越小， 形核越容易。 非均匀形核： 能量起伏 相起伏 晶核 基底： L相中活性质点 或固体界面 + 过冷度 固 液 8.1.6 晶体长大 (Crystal growth) 1、长大驱动力 热力学驱动力：体系总自由能ΔG随晶体长大而降低。 原子迁移→ 液-固界面移动； 界面：液固两相平衡共存。 界面推进速度：界面处液相的过冷程度。 晶体长大机制：取决于界面的微观结构； 晶体生长形态：取决于界面前沿温度梯度分布。 固 液 2、液-固界面的微观结构 界面的平衡结构是界面能最低的结构。 Jackson 模型：在光滑界面上任意增加原子， 界面自由能的相对变化ΔGS为： N：界面上可能具有的原子位置数； x：界面上被固相原子占据位置的分数； Jackson因子α: α＝ξ(△Sm/R)， △Sm为熔化熵， R为气体常数。 ξ----结晶取向因子, 表面原子平均配位数（Z′）与晶体体配位数(Z)之比。 x＝0.5，界面能极小值，界面上约有一半的原子位置被固相原子占据着， 粗糙界面。 金属和某些有机化合物 在x→l和x→0处，界面能具有两个极小值； 界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，光滑界面。 多数无机非金属，某些有机化合物 混合型界面。 亚金属和半导体材料(Bi、Sb、Ga、Ge、Si等) 光滑界面：小平面界面 粗糙界面：非小平面界面 宏观：弯折小平面 宏观：平直小平面 第8章凝固与结晶 Solidification and Crystallization 8.1 凝固与结晶的基础理论 8.2 固溶体合金的结晶 8.3 共晶合金的结晶 8.4 无机非金属材料的液-固相变 8.5 高分子材料的凝固 8.1 凝固与结晶的基础理论 掌握内容 1、凝固过程包括 和 2个过程。 2、材料的凝固的驱动力是 ，阻力是 。 3、凝固形核的方式有 和 。 4、晶体长大方式？？？ 5、晶体成长形态？？？ 8.1.1 液态结构 (Liquid-state structure) 模型： a. 微晶无序模型 （准晶体模型）： 1963年，Banker b. 随机密堆模型 （非晶态模型）： 1970年，Bernal 液态金属结构：固态、气态 规则区 紊乱区 8.1 凝固与结晶的基础理论 8.1.1 液态结构 (Liquid-state structure) 微晶无序模型 （准晶体模型）： 近程密堆： 近程有序、远程无序. 规则区 紊乱区 !结构起伏+能量起伏 8.1 凝固与结晶的基础理论 液态金属中的近程有序原子集团（局部规则排列微区），大小不等，时而产生，时而消失，此起彼伏，这种结构不稳定现象称为结构起伏。 规则区 紊乱区 !结构起伏（相起伏） !结构起伏（相起伏）：结晶的核心—晶胚！ 温度越低，结构起伏尺寸越大。 与温度的关系? 能量起伏 微小体积的能量处于起伏状态。 能量 平均能量 几率 高能区 两个含义： 某一瞬时，各微观 体积的能量不同； 不同瞬时， 对某一微观体积， 能量分布不同。 S L T ΔG=GS-GL 在交点Tm， GL=GS平衡共存 一、结晶的热力学条件与驱动力 TTm，ΔG0， L→S 相变驱动力，凝固自发进行。 Tm T 8.1.2 结晶的热力学条件和过冷度 ΔGV 与ΔT呈直线关系； 过冷度越大，液固态自由能差越大， 相变驱动力越大，凝固过程加快。 ΔT越大， 越有利于凝固吗? 8.1 凝固与结晶的基础理论 二、过冷度 纯金属结晶的冷却曲线 过冷现象 ： 结晶温度T总是低于 平衡结晶温度Tm的现象。 过冷度：△T=Tm-T T 时间 温度 8.1.2 结晶的热力学条件和过冷度 材料 冷却速度 ? △T取决于： 8.1.3 结晶过程 1.形核 2.长大 晶粒：多边形晶体。 晶核：过冷液体内,稳定的微小晶体；一定临界大小 晶核 动画 形核：在母相中形成一定尺寸的新相晶核的过程。 形核（Nucleation）： 形核方式(2种)： ①均匀形核 （Homogeneous Nucleation） ②非均匀形核(Heterogeneous Nucleation) 依靠自身的结构起伏/ 能量起伏在 均匀的母相中任意形核，无择优位置。 依靠外来核心