第六講晶核的長(zhǎng)大

1、第六講 晶核的長(zhǎng)大第五節(jié) 晶核長(zhǎng)大一、主要內(nèi)容：液固界面的微觀結(jié)構(gòu)晶體的長(zhǎng)大機(jī)制液固界面前沿液體中的溫度梯度晶體生長(zhǎng)的界面形狀晶體形態(tài)長(zhǎng)大速度晶粒大小的控制二、要點(diǎn)：液固界面的微觀結(jié)構(gòu)，光滑界面，粗糙界面的概念，杰克遜因子，不同金屬結(jié)晶時(shí)的液固界面，晶體的長(zhǎng)大機(jī)制，二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制，螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制，垂直長(zhǎng)大機(jī)制，液固界面前沿液體中的溫度梯度，正溫度梯度，負(fù)溫度梯度。晶體生長(zhǎng)的界面形狀，晶體形態(tài)，樹(shù)枝晶，等軸晶，長(zhǎng)大速度，晶粒大小的控制三、方法說(shuō)明：通過(guò)對(duì)液固界面的微觀結(jié)構(gòu)的討論，說(shuō)明金屬型界面和非金屬型界面的不同，結(jié)晶后的晶界相界的形態(tài)也不同，即晶粒的形狀不同，晶粒的形狀和大小對(duì)金屬的性能有

2、直接影響。液相中的溫度梯度對(duì)金屬的生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)方式有直接的影響，通過(guò)以上的討論使學(xué)生對(duì)如何判斷金屬中的相，和如何得到所需的晶粒大小和形狀有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。授課內(nèi)容：形核之后，晶體長(zhǎng)大，其涉及到長(zhǎng)大的形態(tài)，長(zhǎng)大方式和長(zhǎng)大速率。長(zhǎng)大形態(tài)常反映出凝固后晶體的性質(zhì)，而長(zhǎng)大方式?jīng)Q定了長(zhǎng)大速率，也就是決定結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的重要因素。晶核長(zhǎng)大的條件：第一要求液相能不斷的向晶體擴(kuò)散供應(yīng)原子， 第二要求晶體表面能夠不斷的牢固的接納這些原子。晶核長(zhǎng)大需要在過(guò)冷的液體中進(jìn)行，但是需要的過(guò)冷度要比形核時(shí)的小。一、 固液界面的微觀結(jié)構(gòu)液固界面的微觀結(jié)構(gòu)分為兩類：光滑界面和粗糙界面1、 光滑界面：如圖，在界面的上部，所有原子

3、都處于液體狀態(tài)，在界面的下部所有的原子都處于固體狀態(tài)。這種界面通常為固相的密排面，呈曲折的鋸齒狀又稱為小平面界面。2、 粗糙界面：如圖，從微觀尺寸看這種界面是平整的，當(dāng)從原子的尺度看這種界面是高低不平的，液固界面的原子犬牙交錯(cuò)的分布著，所以又叫非小平面界面。3、 如果界面上有近0或100的位置為晶體原子所占有，則界面是光滑界面。界面自由能的變化可用公式表示：二、 晶體長(zhǎng)大機(jī)制1、 二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制光滑界面時(shí)晶體的長(zhǎng)大只能依靠二維形核機(jī)制方式長(zhǎng)大。2、 螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制晶體長(zhǎng)大時(shí)，難免形成缺陷。實(shí)際上，具有光滑界面的晶體是以這種方式長(zhǎng)大的，比二維機(jī)制方式長(zhǎng)大快得多。3、 垂直長(zhǎng)大機(jī)制垂直長(zhǎng)大速度

4、很快，大部分金屬晶體均以這種方式長(zhǎng)大。三、 固液界面前沿液體中的溫度梯度1、 正溫度梯度：是指液相中的溫度隨至界面距離的增加而提高的溫度分布狀況。2、 負(fù)溫度梯度：是指液相中的溫度隨至界面舉例的增加而降低的溫度分布狀況，四、 晶體生長(zhǎng)的界面形狀晶體形態(tài)晶體的形態(tài)問(wèn)題是一個(gè)十分復(fù)雜而未能徹底解決的問(wèn)題。1、 在正的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)：光滑界面結(jié)晶的晶體，若無(wú)其它因素干擾，大多可以成長(zhǎng)為以密排晶面為表面的晶體，具有規(guī)則的幾何外形。粗糙界面結(jié)構(gòu)的晶體，在正的溫度梯度下成長(zhǎng)時(shí)，其界面為平行于熔點(diǎn)等溫面的平直界面，與散熱方向垂直，從而使之具有平面狀的長(zhǎng)大形態(tài)，可將這種長(zhǎng)大方式叫做平面長(zhǎng)大方式。2、

5、 在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)的界面形態(tài)粗糙界面的晶體在負(fù)的溫度梯度下生長(zhǎng)成樹(shù)枝晶體。主干叫一次晶軸或一次晶枝。其它的叫二次晶或三次晶。對(duì)于光滑界面的物質(zhì)在負(fù)的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，如果杰克遜因子不太大時(shí)可能生長(zhǎng)為樹(shù)枝晶，如果杰克遜因子很大時(shí)，即使在負(fù)的溫度梯度下，仍有可能形成規(guī)則形狀的晶體。五、 長(zhǎng)大速度晶體長(zhǎng)大的要點(diǎn)：1、 具有粗糙界面的金屬，其長(zhǎng)大機(jī)理為垂直長(zhǎng)大，長(zhǎng)大速度快，所需過(guò)冷度小。2、 具有光滑界面的金屬化合物，亞金屬或非金屬等，其長(zhǎng)大機(jī)理可能有兩種方式，其一是二維晶核長(zhǎng)大方式，其二是螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大方式，它們的長(zhǎng)大速度都很慢，所需過(guò)冷度較大。3、 晶體成長(zhǎng)的界面形態(tài)與界面前沿的溫度梯度和界面的

6、微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在正的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，光滑界面的一些小晶面互成一定的角度，呈鋸齒狀，粗糙界面的形態(tài)為平面界面呈平面長(zhǎng)大方式。在負(fù)的溫度梯度下長(zhǎng)大時(shí)，一般金屬和亞金屬的界面都呈樹(shù)枝狀，只有那些值較高的物質(zhì)仍保持著光滑界面形態(tài)。六、 晶粒大小的控制晶粒的大小叫晶粒度。在常溫下晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性和韌性也越好。生產(chǎn)上控制晶粒度的大小，常采用以下幾種方法：1、 控制過(guò)冷度在一般金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度范圍內(nèi)，過(guò)冷度越大，晶粒越細(xì)小。2、 變質(zhì)處理變質(zhì)處理是在澆注前往液態(tài)金屬中加入形核劑（又稱變質(zhì)劑），促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來(lái)細(xì)化晶粒。3、 振動(dòng)、攪拌將凝固著的金屬進(jìn)行振動(dòng)或攪拌，一方面是靠從外部輸入能量促進(jìn)進(jìn)和提前形成，另一方面是使成長(zhǎng)中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目增加，這已成為一種有效的細(xì)化晶粒組織的重要手段。第六節(jié) 金屬鑄錠的組織與缺陷一、內(nèi)容：鑄錠三晶區(qū)的形成鑄錠組織的控制鑄錠缺陷二、說(shuō)明：通過(guò)上幾節(jié)課的學(xué)習(xí)，對(duì)實(shí)際金屬鑄錠的結(jié)晶過(guò)程及組織特點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明，對(duì)以上學(xué)到的知識(shí)起到一個(gè)鞏