材料科学基础单组元相图及纯晶体的凝固
6.2. . 纯晶体的凝固
6.2
相在物理性能和化学性能上是均匀的。
相界面和晶界的区别。
各变体间的多晶转变
多晶转变的速度和转变时晶体结构发生变化的不同，可以Si02变体之间的转变分成两类：
）横向（重建性）转变
不同系列如石英、鳞石英、方石英和熔体之间的相互转变，即：各高温型态的相互转变。
为同系列中的α、β、γ形态之间的转变，也称低温型转变
磷石英晶体由[SiO4] 四面体
[SiO4]
公用顶点连接成三维骨架
水的相图1200℃时液态金属原子的状态1500℃时液态金属原子的状态
固态金属原子的状态
1200℃时液态金属原子的状态
液态中部分原子排列方式与固态金属相似，构成
液态中部分原子排列方式与固态金属相似，构成短程有序 这些小集团不稳定，尺寸大小不相等，时而产生，时而消这些小集团不稳定，尺寸大小不相等，时而产生，时而消失，就是存在所谓的
失，就是存在所谓的结构起伏
结构起伏
液
固
T m
曲线为下降曲线，液态下降更快
G-T曲线为下降曲线，液态下降更快
液相原子的紊乱程度高，熵值大，随温度的变化也大，液相
与固相的自由能随温度的变化曲线相交
时，固相的自由能比液相的自由能低，液、固两相的自
凝固的驱动力
由能差值是两相间发生相转变即凝固的驱动力
液
固
T m
1200℃时液态金属原子的状态过冷液态金属中短程规则排列的晶态小集团
几何尺寸达到一定程度的晶胚，晶核才能成为新相成长的核心
的能量变化获得驱动
金属本身的能量变化获得驱动
表面上形成晶核
依附在其它物质表面上形成晶核
晶胚半径r与自由能ΔG的关系
晶胚半径r 与自由能ΔG 的关系
23
s s 23
s s 13s s
形核率与过冷度的关系
ΔT
纯铝结晶后的晶粒?纯镁在结晶时以含Zr 的细化剂为核心长大而成的晶粒
纯镁结晶时的晶核及晶粒形核
2、非均匀形核
6.2 纯金属的凝固
6.2.3形核
2、非均匀形核 形成一个晶核形成一个晶核α
α时，总的自由能变化为σLS = = σσαS + + σσL αcos cosθ
θ 晶核稳定存在时，交接处表面张力平衡 ΔG S *=-=-V
V α·ΔG V +Σσ·A ＝
＝-V α·ΔG V +（σL αA L
α＋σαS A αS －σLS A LS ）纯金属的凝固
匀形核 (4cos cos 3*
hom 3
θθθf G ?=???
?+V
L het G ?=ασ2*
????+?×
4cos cos 32)32
θθσπαL r
θ在0°-180°之间变化，所以所以Δ
ΔG S *＜ΔG *θ=0
°，固体杂质相当于现成的晶核θ=π时，固体杂
质表面不起促进晶胚形核的作用
6.2 纯金属的凝固
6.2.4 晶体长大
常用的金属如常用的金属如Fe Fe Fe，，Al Al，，Cu Cu，，Ag Ag等等的结晶界面属于粗糙界面
无机化合物和亚金属的结晶界面，
如Sb Sb，，As As，，Bi Bi，，Ga Ga，，Si Si，，Ge Ge等
等液/固界面的微观结构
光滑界面
粗糙界面
大
6.2 6.2.4 晶体长大
固界面前沿液相中的固界面前沿液相中的温度温度温度随着
随着离开界面的距离增加而升高，过冷
距离增加而升高，过冷随着离开界面距离的增加而随着离开界面距离的增加而减少
减少 正温度梯度
在液／固界面前沿液相的在液／固界面前沿液相的温度温度温度随着
离开界面离开界面距离的增加而降低，过冷
距离的增加而降低，过冷度随着离开界面距离的增加而随着离开界面距离的增加而增大
负温度梯度
向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则形态
?2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
6.2.4 晶体长大
金
属
的
树枝晶缩孔中暴露的枝晶较低倍数下的照片，显示不同方向上形成的枝晶缩孔中缺少钢液无法补充，枝晶生长停止，形成较大空洞
晶体以螺型位错机制生长时，其长大速率
与过冷度呈：( )
指数关系
线性关系
平方关系
若液固界面粗糙界面时，晶体长大的方式( )
垂直长大
晶体缺陷处长大
二维晶核长大?12. 纯金属材料凝固后的晶粒大小主要决定于：
?A温度梯度的正、负
?B 过冷度的大小
?C 晶体的长大方式
粗细超细
Mg-3Al 合金添加形核剂前后的晶粒对比
13. 晶粒的大小称晶粒度，工程上通常把
晶粒分成1、2、……
……88等级别。8级晶粒度的晶粒比1级晶粒度的晶粒要（ ）。A 粗B 细
14.在实际生产中，细化铸造金属晶粒的主要措施是 ( )。A 降低金属的过冷度B 提高金属的过冷度
本章总结
凝固与结晶、相、固态相变、组元、系、相、相图相平衡、相律及应用、过冷现象、过冷度、 理论结
晶温度、 实际结晶温度、 临界过冷度和动态过冷度；
均匀形核与非均匀形核(要会自己进行推导相关公式、
计算)；晶胚、晶核、临界晶核、临界晶核半径、临界形核功；形核率、生长速率。
光滑和粗糙界面；温度梯度、正、负温度梯度；平
面与树枝长大、受质处理(孕育处理)
一、基本概念和术语