2.1.2.1 形核与形核率(1)基础知识.ppt
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1、2.1 凝固理论基础凝固理论基础2.1.2 形核与形核率形核与形核率 亚稳定的液态金属亚稳定的液态金属通过起伏作用通过起伏作用在某些微观小区域在某些微观小区域内形成内形成稳定存在的晶态小质点稳定存在的晶态小质点的过程称为的过程称为形核形核。形核的形核的首要条件首要条件 系统必须处于亚稳态以提供相变驱动力;系统必须处于亚稳态以提供相变驱动力;其次其次,需要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在,需要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在的晶核并确保其进一步生长。的晶核并确保其进一步生长。由于新相和界面相伴而生,因此由于新相和界面相伴而生,因此界面自由能界面自由能这一热力这一热力学能障就成为形核过程中
2、的主要阻力。学能障就成为形核过程中的主要阻力。修改,简化12/21/202212.1.2 形核与形核率形核与形核率 根据构成能障的界面情况的不同根据构成能障的界面情况的不同,可能出现两种不,可能出现两种不同的形核方式:同的形核方式:均匀形核:均匀形核:在没有任何外来界面的均匀熔体中在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。的形核过程。均匀形核在熔体各处几率相同。均匀形核在熔体各处几率相同。晶核的全部固晶核的全部固液界面皆由形核过程所提供。液界面皆由形核过程所提供。热力学能障较大,所需的驱动力也较大。热力学能障较大,所需的驱动力也较大。理想理想液态金属的形核过程就是均匀形核。液态金属的形核过程就
3、是均匀形核。12/21/202222.1.2 形核与形核率形核与形核率 非均匀形核:非均匀形核:在不均匀的熔体中依靠外来杂质在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程。或型壁界面提供的衬底进行形核的过程。非均匀形核优先发生在外来界面处,因此热力学能非均匀形核优先发生在外来界面处,因此热力学能障较小,所需的驱动力也较小。障较小,所需的驱动力也较小。实际实际液态金属的形核过程一般都是非均匀形核。液态金属的形核过程一般都是非均匀形核。12/21/202232.1.2 形核与形核率形核与形核率 为克服均匀形核过程中的高能量障碍,所需的为克服均匀形核过程中的高能量障碍,所需的过冷度过
4、冷度T是很大的。是很大的。理论预计和实验测定表明,它约为金属熔点理论预计和实验测定表明,它约为金属熔点(绝对温绝对温度度)的的0.180.2倍。倍。即使对熔点较低的纯铝来说,即使对熔点较低的纯铝来说,T亦可达亦可达195左右。左右。然而除高速凝固等特殊技术外,实际金属结晶时的过然而除高速凝固等特殊技术外,实际金属结晶时的过冷度远小于均匀形核所需的过冷度。冷度远小于均匀形核所需的过冷度。均匀形核之所以较难实现,是因为在实际金属的结晶均匀形核之所以较难实现,是因为在实际金属的结晶过程中一般很难完全排除外来界面的影响,过程中一般很难完全排除外来界面的影响,从而从而无法避免非均匀形核无法避免非均匀形核
5、的缘故的缘故。12/21/202242.1.2 形核与形核率形核与形核率 1.均匀形核热力学均匀形核热力学液态金属中存在着大量游动的、尺寸瞬息万变的且内液态金属中存在着大量游动的、尺寸瞬息万变的且内部具有固相晶体结构的原子集团,这些原子集团部具有固相晶体结构的原子集团,这些原子集团是潜在的晶核,称为是潜在的晶核,称为晶胚晶胚。在一般情况下,液态金属中任何新相的晶胚只有达到在一般情况下,液态金属中任何新相的晶胚只有达到一定尺寸后才能稳定地保留下来。所以,液态金一定尺寸后才能稳定地保留下来。所以,液态金属中的那些超过稳定尺寸的晶胚,称为属中的那些超过稳定尺寸的晶胚,称为晶核晶核。设设单单位位体体积
6、积液液相相和和固固相相的的体体积积自自由由能能分分别别是是GL和和GS,当当温温度度低低于于Tm(熔熔点点或或液液相相线线温温度度)时时,固固体体体体积积自自由由能能GS将将小小于于液液相相体体积积自自由由能能GL,两两者者之之差差GV=GS-GL为负值。为负值。12/21/20225而而固固相相的的析析出出产产生生了了固固/液液界界面面,需需要要一一定定的的驱驱动动力力来来克克服服界界面能面能引起的阻力引起的阻力。实实际际凝凝固固过过程程中中,这这种种形形核核驱驱动动力力是是通通过过液液态态金金属属过过冷冷获获得得的。的。用用S-L表表示示从从液液相相析析出出晶晶核核时时的的固固/液液界界面
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