第三章 液态金属的结晶

金属结晶的现象

第四讲金属结晶的现象及条件 第一节金属结晶的现象 一、主要内容： 金属结晶的宏观现象 金属结晶的微观现象 二、要点： 金属结晶的热分析曲线，热分析法，过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的热分析曲线分析，金属结晶的微观过程分析，形核，晶核长大。 三、方法说明： 首先介绍热分析法，说明热分析曲线，介绍金属的热分析曲线的特征，说明过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的微观现象，可举例说明晶核的形成和长大的过程，如窗花，盐，冰，植物等增加学生的感性认识和对形核、长大的理解。 授课内容： 物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。 凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。 一、金属结晶过程中的宏观现象 热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却，用X－Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。如图 图1 热分析实验装置示意图图2 纯金属的冷却曲线 2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化曲线。 3、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象。 4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Δ T＝Tm-Tn。 结晶潜热：金属熔化时从固态转变为液态需要吸收热量，而结晶时从液态转化为固态要放出热量，前者叫熔化潜热，后者叫结晶潜热。 二、金属结晶的微观过程 金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。

第二节金属结晶的热力学条件 第三节金属结晶的结构条件 一、主要内容： 金属结晶的驱动力和热力学条件 结构起伏的概念 二、要点： 热力学第二定律，物质系统，自发过程，熵的概念， 金属结晶过程液固两相自由能之差的推导， 液相、固相自由能随温度变化示意图 晶胚，晶核，近程有序，远程有序，液态金属的结构，液态金属中不同尺寸结构起伏出现的几率，最大结构起伏尺寸与过冷度的关系 三、方法说明： 熵，物质系统，自发过程等概念较抽象，打比方形象的说明有利于学生的理解。 用液态金属的宏观特性解释液态金属的微观结构，解释金属结晶的微观过程，讲清晶胚，晶核等概念及影响因素，说明金属结晶的结构条件 授课内容： 第二节金属结晶的热力学条件 热力学第二定律：在等温等压下，过程自发进行的方向是体系自由能降低的方向。自由能G 用下式表示： G=H-TS， 式中，H是焓；T是绝对温度；S是熵，可推导得 dG＝ Vdp－ SdT。 在等压时，dp=0，故上式简化为： dG＝－ SdT。 由于熵恒为正值，所以自由能是随温度增高而减小。 图3 自由能随温度变化的示意图

第二章 纯金属的结晶

第二章纯金属的结晶 一、名词： 结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程. 结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。 孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。 近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。 远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。 结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。 晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。 形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。 过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。 均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。 非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。 变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。 能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。 正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。 负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况 细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。 晶粒度：晶粒的大小。 缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。 二、简答： 1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？ 答：过冷现象、结晶潜热释放现象 2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？ 答：金属的本性、纯度和冷却速度。 金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。。 3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？ 1）界面结构；2）界面附近的温度分布； 4. 晶体长大机制有哪几种？ 1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制 5、结晶过程的普遍规律是什么？ 答：结晶是形核和晶核长大的过程 6、均匀形核的条件是什么？

电镀的结晶过程

电镀的结晶过程 电镀过程实质上是金属的电结晶过程。大致分为以下几个步骤： 1)水化的金屑离子向阴极扩散和迁移 2)水化膜变形； 3)金属离子从水化膜中分离出来； 4)金属离子被吸附和迁移到阴极上的活性部分； 5)金属离子还原成金属原于，并排列组成一定晶格的金属晶体。 在形成金属晶体的同时进行着结晶核心的生成和成长过程，这两个过程的速度决定了金属结晶的粗细程度。在电镀过程中当晶核的生成速度大于晶核的成长速度时，就能获得结晶细致、排列紧密的镀层。晶核的生成速度大于晶核成长速度的程度越大，镀层结晶越细致、紧密；否则，结晶粗大。 结晶组织较细的镀层，其防护性能和外观质量都较理想，实践证明：提高金属电结晶时的阴极极化作用，可以提高晶核的生成速度，便于获得结晶细致紧密的镀层。但阴极极化作用不是越大越好，当阴极极化作用超过一定范围时，会导致氢气的大量析出，从而使镀层变得多孔、粗糙、疏松、烧焦，甚至呈粉末状，质量反而下降。 影响电镀层结晶粗细的主要因素 1)主盐特性在电镀中把含镀层金属的盐称做主盐，例如硫酸盐镀锌溶液中的硫酸锌即为主盐。 一般来讲，如果主盐是简单的盐，其电镀溶液的阴极极化作用很小，极化数值只有几十毫伏，因此镀层结晶晶粒较粗，例如硫酸盐镀锌、硫酸盐镀铜等由于电镀溶液阴极极化作用很小，故镀层结晶晶粒较粗，其外观质量及防护性能较差。

如果主盐是络盐，由于络离子在溶液中的离解能力较小，络合作用使金属离子在阴极上的还原过程变得困难，从而提高了阴极的极化作用，因此镀层的结晶晶粒较细。例如氨三乙酸—氯化铵型镀锌溶液中使用了络合能力较强的络合剂氨三乙酸，它和锌离子形成的络离于大大提高阴极极化作用，极化数值可达到250mV,因此获得的镀锌层比硫酸盐镀锌获得的镀层较为细致、紧密。 2)主盐浓度 在其它条件(如阴极电流密度和温度等)不变的情况下，随着主盐浓度的增大，阴极极化下降,结晶核心的生成速度变慢，所得镀层的结晶晶粒变粗。稀溶液的阴极极化作用虽比浓溶液大，但其导电性能较差，不能采用大的阴极电流密度，同时阴极电流效率也较低，所以不能利用这个因素来改善镀层结晶的细致程度。 3)附加盐 在电镀溶液中除了含主盐外，往往还要加入某些碱金属或碱土金属的盐类,这种附加盐的主要作用是提高电镀溶液的导电性能，有时还能提高阴极极化作用。例如以硫酸镍为主盐的镀镍溶液中加入硫酸钠和硫酸镁，既可提高导电性能，又能增大阴极极化作用(增大极化数值约100mV左右)，使镀镍层的结晶晶粒更为细致、紧密。 4)添加剂 为了改善电镀溶液的性能和镀层质量，往往在电镀溶液中加入少量的某些有机物质的添加剂.例如阿拉伯树胶，糊精、聚乙二醇、硫脲、千千加、丁炔二醇，糖精及动物胶等。添加剂能吸附在阴极表面或与金属离子构成“胶体—金属离子型”络合物，从而大大提高金属离子在阴极还原时的极化作用，使镀层细致、均匀、平整、光亮。例如在铵盐镀锌溶液、柠檬酸盐镀锌溶液、氨三乙酸镀锌溶液中加入1～2g／L聚乙二醇和1～2 g／L.硫脲分别可以增加极化数值为70一100mV，100～200mV和200mV以上，都能使镀层结晶晶粒变细。必须注意有机添加剂是有选择性的，不可乱用，以免造成不良后果。

金属结晶的基本规律是什么12

第一章思考作业题 1．一铜棒的最大拉应力为70MPa，若要承受2000kgf的载荷，它的直径是多少？ 2．有一直径15mm的钢棒所能承受的最大载荷为11800kgf，问它的强度是多少。 3．一根2米长的黄铜棒温度升高80℃，伸长量是多少？要使该棒有同样的伸长，问需要作用多少力？（黄铜线膨胀系数为20×10－6℃－1，平均弹性模量为110000MPa） 4．一根焊接钢轨在35℃时铺设并固定，因此不能发生收缩。问当温度下降到9℃时，钢轨内产生的应力有多大？（钢的线膨胀系数为12×10－6℃－1，弹性模量为206000MPa）5．零件设计时，选取σ0.2（σS）还是选取σb，应以什么情况为依据？ 6．δ与ψ这两个指标，哪个能更准确地表达材料的塑性？ 7．常用的测量硬度的方法有几种？其应用范围如何？ 8．有一碳钢制支架刚性不足，有人要用热处理强化方法；有人要另选合金钢；有人要改变零件的截面形状来解决。哪种方法合理？为什么？ 9．举例说明机器设备选材中物理性能、化学性能、工艺性能的重要性。 第一章参考答案： 1．18.9mm 2．871MPa 3．3.2mm，176MPa 4．64.3MPa 第二章思考作业题 1．从原子结合的观点来看，金属、高分子和陶瓷材料有何主要区别？在性能上有何表现？2．试用金属键的结合方式，解释金属具有良好导电性、导热性、塑性和金属光泽等基本特性。 3．简述金属常见的三种晶体结构的基本特点。 4．晶体缺陷有哪些？对材料有哪些影响？对所有的材料都有影响吗？ 5．聚合物的分子量有什么特点？如何表示聚合物分子量的大小？ 6．什么是聚合物分子的构型和构象？如何才能改变其构型和构象？ 7．陶瓷材料的晶体相有哪几种主要结构？举例说明。 8．与金属比较，简述陶瓷材料的结构特点。 9．硅酸盐化合物有那几种基本类型？ 第三章思考作业题 1．金属结晶的基本规律是什么？结晶过程是怎样进行的？ 2．过冷度与冷却速度有何关系？为什么金属结晶一定要有过冷度？它对晶粒大小有何影响？3．如果其它条件相同，试比较在下列条件下，铸件晶粒的大小： （1）砂型铸造与金属铸造； （2）厚壁铸件与薄壁铸件； （3）加变质剂与不加变质剂；

实验五结晶过程的观察

实验五结晶过程的观察 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

实验五结晶过程的观察 一、实验目的 1．观察透明盐类的结晶过程及其晶体组织特征。为理解、掌握金属的结晶理论建立感性认识。 2．观察具有枝晶组织的金相照片及其有枝晶特征的铸件或铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观概念。 二、实验设备及材料 1．带CCD的生物显微镜；2．投影仪；3. 接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液（由实验室预先配制好）；4．干净玻璃片、吸管；5．电炉或电吹风；6．有枝晶组织的金相照片；7．有枝晶的金属铸件实物。 三、实验原理 晶体物质由液态凝固为固态的过程称结晶。结晶过程亦为原子呈规则排列的过程，包括形核和核长大两个基本过程。 由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类亦是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。

图5－1 结晶过程三个阶段形成的三个区域 a) 最外层的等轴细晶粒区(100×) b)次层粗大柱状晶区(100×) c)中心杂乱的树枝状晶区(100×) 在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵（NH4Cl）或硝酸铅[Pb(NO3)2]水溶液，随着水分蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，继而开始结晶。我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘，因该处最薄，蒸发最快，易于形核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶（如图5-la 所示），接着形成较粗大的柱状晶（如图5-1b所示）。因液滴的饱和程序是由外向里，故位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。第三阶段是在液滴中心形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙（如图5-1c 所示）。这是因液滴已越来越

第二章 纯金属的结晶答案

第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为凝固，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为固态相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。 4．铸锭和铸件的区别是。 铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。 5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、变质处理、振动、搅动6．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 7．液态金属的结构特点为短程有序。 8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细，薄铸件的晶粒比厚铸件细。 9．过冷度是金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。N 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。N 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( Y ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( N ) 金属玻璃---如果液体金属急速地降温，获得极大过冷度，以至没有形核就将温到原子扩散难以进行的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称为非晶态金属，又称金属玻璃。 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( N) 过冷度过大会降低原子的扩散能力，给形核造成困难，使形核率降低。 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。Y 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细Y 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。N 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。Y 14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀 形核的结果。( Y) 15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。( ) (三) 选择题 1 液态金属结晶的基本过程是 A．边形核边长大B．先形核后长大 C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长 2．液态金属结晶时， C 越大，结晶后金属的晶粒越细小。 A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N 3．过冷度越大，则B A．N增大、G减少，所以晶粒细小B．N增大、G增大，所以晶粒细小

金属学与热处理课后习题答案第二章

第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答： 2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答：

2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。

2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。 2、在负温度梯度下： 具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答： 三晶区的形成原因及各晶区特点： 一、表层细晶区

液态金属结晶的基本原理

第六章 液态金属结晶的基本原理 1、怎么从相变理论理解液态金属结晶过程中的生核、成长机理？ 答：相变理论：相变时必须具备热力学和动力学条件。 金属结晶属一种相变过程： 热力学条件即过冷度T ?——驱动力V G ? 动力学条件：克服能障 热力学能障——界面自由能——形核 动力学能障——激活自由能A G ?——长大 若在体系内大范围进行，则需极大能量，所以靠起伏，先生核——主要克服热力学能障，然后出现最小限度的过渡区“界面”，此界面逐渐向液相内推移——长大（主要克服动力学能障）。 2、试述均质生核与非均质生核之间的区别与联系，并分别从临界晶核曲率半径、 生核功两个方面阐述外来衬底的湿润能力对临界生核过冷度的影响。要满足纯金属非均质生核的热力学要求，液态金属必须具备哪两个基本条件？ 答：（1）T L T G r r LC V LC ?=?==0 * *22σσ非均 相等 但334r V π=均 ()θπf r V 3 34=非 ()4c o s c o s 323θθθ+-=f ∴ 非均质生核所需体积小，即相起伏时的原子数少。 （2）2203 *316T L T G LC ??=?πσ均 ()θf G G * *均非 ?=? 两种均需能量起伏克服生核功，但非均质生核能需较小。 （3）右图看出 ↑?↑→* 非 T θ ()↓?↓→↓→T V f 非θ 即：对*r ：θ与* 非T ?的影响. （4）生核功： ()θπσf T L T G LC 2203 *316??=?非

()↓?↓→↓→?↓→T * 能量起伏非 G f θ （5）纯金属非均质生核的热力学条件： V LC G r ?=σ2* 非 ()θπσf T L T G LC 2203 * 316??=?非 液态金属需具备条件（1）液态金属需过冷 (2)衬底存在。 3、物质的熔点就是固、液两相平衡存在的温度、试从这个观点出发阐述式（4—3） 中*r 与T ?之间关系的物理意义。 答：式4—3 T L T G r LC V LC ?=?=0 * 22σσ均 当 0T T =时， 两相平衡； 当0T T <时，趋于固相：即固相教液相稳定； 式中看出 ↓↑→?* 均 r T 。 ↑?T 即↓T ,此时固相更稳定，更易于发生相变，就以较小的* 均r 即可稳定 存在。 4、液态金属生核率曲线特点是什么？在实际的非均质生核过程中这个特点又有何变化? 答：实际非均质生核率受衬底面积大小的影响，当衬底面积全部充满后，生核率 曲线中断，即不再有非均质生核。 相变、生核、成长中的热力学及动力学： （1）相变： 热力学条件：T ? ，可以提供相变驱动力V G ?。 动力学条件：克服热力学能障和动力学能障。 （2）生核： 克服能障：热力学（界面自由能）、动力学A G ?（作用小，对生核率影响小） （3）生长： 热力学能障：()KTi A G F V ln ->?——取决于F A （处于过冷状态，且相变 驱动力克服此能障）

实验五 结晶过程的观察

实验五结晶过程的观察 一、实验目的 1．观察透明盐类的结晶过程及其晶体组织特征。为理解、掌握金属的结晶理论建立感性认识。 2．观察具有枝晶组织的金相照片及其有枝晶特征的铸件或铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观概念。 二、实验设备及材料 1．带CCD的生物显微镜；2．投影仪；3. 接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液（由实验室预先配制好）；4．干净玻璃片、吸管；5．电炉或电吹风；6．有枝晶组织的金相照片；7．有枝晶的金属铸件实物。 三、实验原理 晶体物质由液态凝固为固态的过程称结晶。结晶过程亦为原子呈规则排列的过程，包括形核和核长大两个基本过程。 由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类亦是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。

图5－1 结晶过程三个阶段形成的三个区域 a) 最外层的等轴细晶粒区(100×) b)次层粗大柱状晶区(100×) c)中心杂乱的树枝状晶区(100×) 在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵（NH4Cl）或硝酸铅[Pb(NO3)2]水溶液，随着水分蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，继而开始结晶。我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘，因该处最薄，蒸发最快，易于形核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶（如图5-la 所示），接着形成较粗大的柱状晶（如图5-1b所示）。因液滴的饱和程序是由外向里，故位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。第三阶段是在液滴中心形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙（如图5-1c 所示）。这是因液滴已越来越薄，蒸发较快，晶核亦易形成，然而由于已无充足的溶液补充，结晶出的晶体填不满枝晶间的空隙，从而能观察到明显的枝晶。 实际金属结晶时，一般均按树枝状方式长大（如图5-2 所示）。但若冷速小，液态金属的补给充分，则显示不出枝晶，故在纯金属铸锭内部是看不到枝晶的，只能看到外形不规则的等轴晶粒。但若冷速大，液态金属势必补缩不足而在枝晶间留下空隙，其宏观组织就可明显地观察到树枝状晶。某些金属如锑铸锭表面，即能清楚地看到枝晶组织，如图5-3 所示。若金属在结晶过程中产生了枝晶偏析，由于枝干和枝间成分不同，其金相试样浸蚀时，浸蚀程度亦不同，枝晶特征即能 显示出来，见图5-4。

3.金属结晶的结构条件

第三节金属结晶的结构条件 金属的结晶是晶核的形成和长大的过程,而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又什么呢?它是怎样转变成品核的呢 这些问题都涉及到液态金展的结构条件 因此了解液态金属的结构对于深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要 液态固态气态金属结构的比较： ●由于液体具有良好的流动性，所以人们曾经认为，液态金属的结构与气体相 似，是以单原子状态存在的，并进行着无规则的热运动。 ●但是大量的实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与气态金属根本 不同。 ?例如，金属熔化时的体积增加很小()%5~ 3，说明固态金属与液态金属 % 的原子间距相差不大； ?液态金属的配位数比固态金属的有所降低，但变化不大，而气态金属的 配位数却是零； ?金属熔化时的熵值较室温时的熵值有显著增加，这意味着其原子排列的 有序程度受到很大的破坏。 ●液态金属结构的X射线研究结果表明，在液态金属的近邻原子之间具有某种 与晶体结构类似的规律性，这种规律性不像晶体那样延伸至远距离。 液态金属的短程有序和晶体的长程有序： 在液体中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为近程有序，但在大范围内原子是无序分布的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，称之为远程有序。

应当指出，液态金属中近程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的，而是处于不断地变化之中 ● 由于液态金属原子的热运动很激烈，而且原子间距较大,结合较弱，所以液态 金属原子在其平衡位置停留的时间很短，很容易改变自己的位置， ● 这就使近程有序的原子集团只能维持短暂的时间即被破坏而消失，与此同 时，在其它地方又会出现新的近程有序的原子集团。 ● 前一瞬间属于这个近程有序原子集团的原子，下一瞬间可能属于另一个近程 有序的原子集团。 ● 液态金属中的这种近程有序的原子集团就是这样处于瞬间出现，瞬间消失， 此起彼伏，变化不定的状态之中，仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。 ● 这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。 最大相起伏尺寸 ● 在液态金属中，每一瞬间都涌现出大量的尺寸不等的相起伏 ● 在一定的温度下，不同尺寸的相起伏出现的几率不同，如图2-7所示。尺寸大 的和尺寸小的相起伏出现的几率都很小， ● 在每一温度下出现的尺寸最大的相起伏存在着一个极限值max r ， ● max r 的尺寸大小与温度有关，温度越髙，则max r 尺寸越小，温度越低，则max r 尺寸越大（图2-8）， ● 在过冷的液相中，max r 尺寸可达几百个原子的范围。 根据结晶的热力学条件可以判断

盐类结晶实验报告-结晶与晶体生长形态观察

盐类结晶实验报告 一、实验名称： 盐类结晶与晶体生长形态观察 二、实验目的： 1.通过观察盐类的结晶过程，掌握晶体结晶的基本规律及特点。为理解金属的结晶理论建立感性认识。 2.熟悉晶体生长形态及不同结晶条件对晶粒大小的影响。观察具有枝晶组织的金相照片及其有枝晶特征的铸件或铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观概念。 3.掌握冷却速度与过冷度的关系。 三、实验原理概述： 金属及其合金的结晶是在液态冷却的过程中进行的，需要有一定的过冷度，才能开始结晶。而金属和合金的成分、液相中的温度梯度和凝固速度是影响成分过冷的主要因素。晶体的生长形态与成分过冷区的大小密切相关，在成分过冷区较窄时形成胞状晶，而成分过冷区较大时，则形成树枝晶。由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类亦是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。 在玻璃片上滴一滴接近饱和的热氯化氨（NH4CI）或硝酸铅[Pb(NO3)2]水溶液，随着水分蒸发，温度降低，溶液逐渐变浓而达到饱和，继而开始结晶。我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘，因该处最薄，蒸发最快，易于形核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶（如图1所示），接着形成较粗大的柱状晶（如图2所示）。因液滴的饱和程序是由外向里，故位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。第三阶段是在液滴中心形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙（如图3所示）。这是因液滴已越来越薄，蒸发较快，晶核亦易形成，然而由于已无充足的溶液补充，结晶出的晶体填布满枝晶间的空隙，从而能观察到明显的枝晶。 四、材料与设备： 1）配置好的质量分数为25%~30%氯化铵水溶液。 2）玻璃片、量筒、培养皿、玻璃棒、小烧杯、氯化铵、冰块。 3）磁力搅拌器、温度计。 4）生物显微镜。 五、实验步骤： 1.将质量分数为25%~30%氯化铵水溶液，加热到80~90℃，观察在下列条件下的结晶过程及晶体生长形态。 1)将溶液倒入培养皿中空冷结晶。 2)将溶液滴在玻璃片上，在生物显微镜下空冷结晶。 3)将溶液滴入试管中空冷结晶。 4)在培养皿中撒入少许氢化氨粉末并空冷结晶。 5)将培养皿、试管置于冰块上结晶。 2.比较不同条件下对氯化铵水溶液空冷结晶组织的影响： 氯化钠溶液在玻璃皿中空冷时由于玻璃皿边缘与中心的介质不同，造成氯化钠溶液洁净的不均匀，从而造成晶粒的大小不同；另外撒入少量的氯化铵粉末后粉末在促进结晶的同时也成为氯化铵的成长中心，析出的氯化铵依附在撒入的粉末上成长，即撒入的粉末有引导结晶的作用，实际的形态和撒入的量、分布有关。

实验五 结晶过程的观察

实验五结晶过程得观察 一、实验目得 1．观察透明盐类得结晶过程及其晶体组织特征。为理解、掌握金属得结晶理论建立感性认识。 2．观察具有枝晶组织得金相照片及其有枝晶特征得铸件或铸锭表面,建立金属晶体以树枝状形态成长得直观概念。 二、实验设备及材料 1。带CCＤ得生物显微镜；2．投影仪;3、接近饱与得氯化铵或硝酸铅水溶液（由实验室预先配制好）;4.干净玻璃片、吸管；5。电炉或电吹风;6。有枝晶组织得金相照片;7.有枝晶得金属铸件实物. 三、实验原理 晶体物质由液态凝固为固态得过程称结晶.结晶过程亦为原子呈规则排列得过程，包括形核与核长大两个基本过程。 由于液态金属得结晶过程难以直接观察,而盐类亦就是晶体物质，其溶液得结晶过程与金属很相似，区别仅在于盐类就是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱与而结晶,金属则主要依靠过冷,故完全可通过观察透明盐类溶液得结晶过程来了解金属得结晶过程.

图5－１结晶过程三个阶段形成得三个区域 a) 最外层得等轴细晶粒区（1０0×) b）次层粗大柱状晶区(1０0×)c)中心杂乱得树枝状晶区(１00×） 在玻璃片上滴一滴接近饱与得氯化铵(NH4Cl)或硝酸铅[Pb（NＯ3)2］水溶液,随着水分蒸发,溶液逐渐变浓而达到饱与，继而开始结晶.我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘，因该处最薄，蒸发最快，易于形核,故产生大量晶核而先形成一圈细小得等轴晶(如图5-la所示）,接着形成较粗大得柱状晶（如图5—１b所示).因液滴得饱与程序就是由外向里，故位向利于生长得等轴晶得以继续长大，形成伸向中心得柱状晶。第三阶段就是在液滴中心形成杂乱得树枝状晶,且枝晶间有许多空隙(如图5-1c 所示)。这就是因液滴已越来越薄，蒸发较快,晶核亦易形成，然而由于已无充足得溶液补充，结晶出得晶体填不满枝晶间得空隙,从而能观察到明显得枝晶. 实际金属结晶时,一般均按树枝状方式长大（如图5-2 所示）。但若冷速小,液态金属得补给充分，则显示不出枝晶,故在纯金属铸锭内部就是瞧不到枝晶得，只能瞧到外形不规则得等轴晶粒。但若冷速大，液态金属势必补缩不足而在枝晶间留下空隙，其宏观组织就可明显地观察到树枝状晶。某些金属如锑铸锭表面，即能清楚地瞧到枝晶组织,如图5-3 所示。若金属在结晶过程中产生了枝晶偏析,由于枝干与枝间成分不同，其金相试样浸蚀时，浸蚀程度亦不同,枝晶特征即能显示出来，见图５—４。

2.金属结晶的热力学条件

第二节金属结晶的热力学条件 为什么液态金属在理论结晶温度下不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢 这是由热力学条件决定的。 热力学第二定律指出： 在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。 这就说明对于结晶过程而言,结晶能否发生即看液相和固相的自由能孰髙轨低 1. 如果液相的自由能比固相的自由能低，那么金属将自发地从固相转变为液 相，即金属发生熔化。 2. 如果液相的自由能高于固相的自由能，那么液相将自发地转变为固相，即金 属发生结晶，从而使系统的自由能降低，处于更为稳定的状态。 结晶过程的驱动力： 液相金属和固相金属的自由能之差，就是促进这种转变的却动力 低值温度自由能： 熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参数。温度升髙，原子的活动能力提高，因而原子排列的混乱程度増加，即熵值增加，系统的自由能也就随着温度的升高而降低。 纯金属液，固两相自由能随温度变化的示意图： ● 由图可见，液相和面相的自由能都随着温度的升高而降低。 ● 由于液态金属原子排列的混乱程度比固态金属的大，即S L S S ，也就是液相 自由能曲线的斜率较固相的大，所以液相自由能降低得更快些。

理论结晶温度及其意义： 1. 既然两条曲线的斜率不同，因而两条曲线必然在某一温度相交，此时的液、 固两相自由能相等，即S L G G = 2. 它表示两相可以同时共存，具有同样的稳定性，既不熔化，也不结晶，处于 热力学平衡状态，这一温度就是理论结晶温度m T 。 从图2.5还可以看出 ● 只有当温度低于m T 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金 属可以自发地转变为固态金属。 ● 如果温度高于m T ，液态金属的自由能低于固态金属的自由能，此时不但液态 金属不能转变为固态，相反他固态金属还要熔化成液态，因为只有这样自由能才能降低，过程才可以自动进行。 当液相向固相转变时单位体积自由能的变化与过冷度的关系 1. 当液相向固相转变时单位体积自由能的变化与过冷度的关系： 0<-=?L S V G G G 2. 当液相向固相转变时单位体积自由能的变化与过冷度的关系： 0>-=?S L f H H H 3. 当液相向固相转变时单位体积自由能的变化与过冷度的关系： 0

第二章纯金属结晶作业答案

第二章纯金属结晶作业答 案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率 来细化晶粒 4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类 型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡 相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶 坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 ( × ) 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 ( × ) 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( √ ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的 过程。( √ ) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( × ) P41+7 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 ( √ ) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √ ) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √ ) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√ ) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( × ) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √ ) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。 ( √ )

深度解密：液态金属

深度解密：液态金属 液态金属，这个不断从Apple传出绯闻的材料，从iphone4开始，iphone5，iphone6，iwatch，还有未来将要上市的iphone7，每次新品发布前各种各样的爆料和揭秘都有她的身影？ 传闻iPhone 7还将加入一种硬度更高的液化金属，这种液态金属材料可以有效减少机身弯曲状况的发生，困扰苹果很久的“弯曲门”事件将不会在iPhone 7上出现。 那今天我们借着这个主题来看看这个屌炸天的‘液态金属’。首先我们调研下，你是否以为液态金属就是有着液体一样形态的金属？（当然如果你是这个行业的大拿可以直接跳过这一段）。

首先我们先说液态金属NOT液态的！ 很多东西是不能按照字面意思来理解的，就好像玻璃钢，它既不是玻璃也不是钢，但是人家就是任性的这么取名字了。同理，液态金属并不是成液体状的金属。

Liquidmetal，在常温下是固体的，和金银铜铁之类的普通金属没什么两样。 我们来重新定义一下液态金属（Liquid Metal）：Liquidmetal（由液态与金属两字所复合）与 Vitreloy是一系列由加州理工学院研究团队所开发出来的非晶态金属合金的商业名称，目前由该团队所组织的液态金属科技公司（Liquidmetal Technologies Inc.）进行行销，并是公司的产品名称与商标名称。 液态金属科技有限公司总部坐落在美国加州Rancho Santa Margarita, California, along with the Corporate R&D Technology Center. 非晶态金属合金，英文Amorphous Alloy，其中Amorphous是指的非晶态的，Alloy则是指的合金。简单来说就是非晶+合金，这不是废话吗？...因其与常见晶体材料有明显的结构区别而得名。同时，也被称为金属玻璃（Metallic Glass），因其与常见的玻璃有类似

第二章 纯金属的结晶

第二章纯金属的结晶 一．名词解释 结晶、过冷度、临界过冷度、结晶潜热、结构起伏、能量起伏、晶胚、晶核、枝晶、晶粒度、均匀形核、非均匀形核、形核功、形核率、光滑界面、粗糙界面、正温度梯度、负温度梯度、变质处理 二．填空题 1．在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，而把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。 2．金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为。 3．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 4．过冷是金属结晶的条件。 5．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。6．液态金属结晶时，结晶过程的推动力是，阻力是。 7．金属结晶两个密切联系的基本过程是和。 8．纯金属结晶必须满足的热力学条件为__________ _ 。 9．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是和。 液态金属的结构特点为。 10．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。 11．如果其它条件相同，则金属模浇注铸件的晶粒比砂模浇注的__________，高温浇注铸件的晶粒比低温浇注的_____________，采用振动浇注铸件的晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。 12．影响非晶体凝固的主要因素是和。 三．选择题 1．液态金属结晶的基本过程是_____________。 A、边形核边长大 B、先形核后长大 C、自发形核和非自发形核 D、突发相变 2．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将____________。

A、比理论结晶温度越低 B、比理论结晶温度越高 C、越接近理论结晶温度 D、同理论结晶温度相等 3．液态金属结晶时，___________越大，结晶后金属的晶粒越细小。 A、形核率N B、长大率G C、比值N/G D、比值G/N 4．纯金属结晶过程中，过冷度越大，则_____________。 A、形核率增大、长大率减少，所以晶粒细小 B、形核率增大、长大率增大，所以晶粒细小 C、形核率增大、长大率增大，所以晶粒粗大 D、形核率减少、长大率减少，所以晶粒细小 5．若纯金属结晶过程处在液－固相平衡共存状态下，此时的温度同理论结晶温度相比_____________。 A、相等 B、更高 C、更低 D、难以确定 6．纯金属结晶的冷却曲线中，由于结晶潜热而出现结晶平台现象。这个结晶平台对应的横坐标和纵坐标表示_____________。 A、自由能和温度 B、温度和自由能 C、理论结晶温度和时间 D、时间和理论结晶温度 四．判断题 1.金属由液态转变为固态的过程称为凝固，是一相变过程。（） 2.金属的纯度越高，则过冷度越大，实际结晶温度越高。（） 3.液态纯金属的温度以极慢的冷却速度连续降低到其理论结晶温度时，该金属即 开始结晶。（）

液态金属DOC

液态金属行业研究报告 第一节液态金属材料简述 1.1液态金属的定义 液态金属即非晶材料，是一种长程无序（短程有序）、亚稳态（一定温度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性的金属材料，具有固态、金属、玻璃的特性，又称金属玻璃，具有高强度、高硬度、塑性、热传导和耐磨性等。 图1-1 液态金属具有长程无序结构

1.2 液态金属的特点 液态金属兼有玻璃、金属、固体和液体的特性，是一类全新性的 高性能金属材料，具备很多不同于传统玻璃材料的独特的性质。 非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点

Liquidmetal在表面光洁度上远远高于镁、铝、钛、钢等金属。1)是迄今为止最强的金属材料（屈服强度和断裂韧性最高）和最软的（屈服强度最低）金属材料之一； 2) 具有接近陶瓷的硬度，却又能在一定温度下能像橡皮泥一样的柔软，像液体那样流动（超塑性），所以它又是最理想的微、纳米加工材料之一； 3) 液态金属的强度（1900Mpa）是不锈钢或钛的两倍，易塑形堪比塑料，兼具了钢铁和塑料的优势，可以塑性加工。

工艺余成本优势 优势 劣势 加工工艺 1.相对于一般的高强度合金制备，它具有净成形（Net-ShapeCasting ）的特点，可以避免繁琐的后期机加工。 复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如蒸汽 机引擎部件等。 2.目前的制备的液态金属通常很薄，一般的锆-钛非晶合 金只有 2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件 热敏塑性，可以用模具塑型，既简单又经济，而且精度高 非晶合金的复合材料熔点低，避免了高温对复合成分中的金属性质造成损害 无氧环境下成型，具有钝面的表面光洁度 成本 基本上是一次净成型，且表面光洁度高，省却大量的后加工；效率非常高，以宜安 科技自制的压铸设备为例，每台机可以实 现压铸600次/天，相比于CNC 加工数个小 时加工一件的效率相比，成本优势相当显 著，大约能降低一半的成本。 1.3 液态发展历程 第二节 液态金属的制备方法