凝固原理
凝固过程的基本原理
wS
wL
▪ 在平衡凝固过程中，固相和液相中的溶质质量分数wS与wL是由相图的固相线和
液相线确定的。相图只能确定平衡凝固条件下的溶质分配系数。但在实际情况
下，平衡凝固的情况非常罕见。
▪ 一般将合金的凝固过程分为平衡凝固、近平衡凝固和非平衡凝固过程。对应于 上述凝固过程，k的定义和名称也各不相同，分别称为：平衡溶质分配系数k0, 有效溶质分配系数ke, 非平衡溶质分配系数 (也叫实际溶质分配系数) ka 。
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
相图计算的基本原理就 是依据热力学原理，计算
收集评估相图与热力学试验数据
系统的相平衡关系及各种
选择各相的吉布斯自由能模型
热力学数据，并绘制出相 图。热力学计算技术不仅
重新评估实验数据
给模型参数赋初值
能获得多元合金的相图信 息如分凝系数、液相线 (面) 斜率等，同时也能够获得
1.相图与凝固---多元合金的凝固过程分析
▪ 多元合金的溶质再分配分析
同样，对于多元合金，一般是从热力学的基本原理出发，对其溶质再分
配规律作出分析。
在研究多元合金的凝固过程时，仅当发生单相析出时，讨论溶质分配系
数才是有意义的。此时，任一组元i在液相和固相j中的化学位为，
L i
(GL wi
)T,P,WCj
1.相图与凝固---二元合金凝固过程的溶质再分配
▪ 溶质再分配是凝固过程的重要伴随现象，对凝固组织有决定性的影响。正是50~ 60年代以来对凝固过程溶质再分配现象的发现和深入研究，推动了现代凝固理 论的形成和发展。
▪ 描述凝固过程溶质再分配的关键参数是溶质分配系数k，它是凝固过程中固相溶
质质量分数wS与液相溶质质量分数wL之比。可写为，
凝固原理各种公式的应用
凝固原理各种公式的应用1. 引言凝固是物质从液态变为固态的过程，是一种常见的相变现象。
在凝固过程中，存在着一些重要的物理学公式和原理，这些公式和原理对于我们了解凝固过程的规律以及应用于工程和科学研究中具有重要意义。
本文将介绍凝固原理中的一些常见公式的应用。
2. 凝固温度的计算凝固温度是指物质从液态变为固态时所处的温度。
凝固温度的计算可以根据物质的阿伦尼乌斯公式来进行。
阿伦尼乌斯公式如下：Tc = K / ΔH其中，Tc为凝固温度，K为B常数，ΔH为物质的凝固热。
3. 凝固速度的计算凝固速度是指物质从液态变为固态的速度。
凝固速度的计算可以采用斯特尔宾斯基方程。
斯特尔宾斯基方程如下：v = k(ΔC)^n其中，v为凝固速度，k为速度常数，ΔC为浓度变化，n为凝固速率对浓度变化的敏感度。
4. 凝固结构的研究凝固结构的研究是指对凝固过程中结构的变化规律进行分析。
凝固结构的研究可以采用斯特尔宾斯基方程和格拉芙定律。
格拉芙定律如下：h = k * x^(1/3)其中，h为晶体的表层深度，k为速度常数，x为晶体生长时间。
5. 凝固器的设计和优化凝固器是进行物质凝固的设备，对于不同的凝固物质，需要设计不同的凝固器。
凝固器的设计和优化可以采用亥姆霍兹方程。
亥姆霍兹方程如下：Z = α * T^β其中，Z为凝固器的效率因子，α为材料性质常数，T为温度，β为指数。
6. 凝固时间的计算凝固时间是物质从液态变为固态的时间。
凝固时间的计算可以采用纳维尔斯方程。
纳维尔斯方程如下：t = K * (ΔT)^2其中，t为凝固时间，K为常数，ΔT为温度差。
7. 结论凝固原理中的各种公式在实际应用中具有重要的意义。
通过对凝固温度、凝固速度、凝固结构、凝固器的设计和优化以及凝固时间的计算等方面的研究，可以更好地理解凝固过程的规律，并在工程和科学研究中应用这些公式，提高凝固过程的效率和质量。
以上介绍的凝固原理的各种公式只是其中的一部分，还有很多其他的公式和原理需要进一步研究和探索。
混凝土凝固过程原理
混凝土凝固过程原理一、引言混凝土是一种广泛应用于建筑、道路、桥梁等工程领域的材料，其性能直接影响着工程结构的稳定性和耐久性。
混凝土在施工过程中必须经历从流动状态到硬化状态的过程，这个过程被称为凝固。
混凝土的凝固过程是一个复杂的化学反应过程，涉及到水泥水化反应、温度变化、水分流动等多个因素，本文将对混凝土凝固过程的原理进行详细的分析。
二、混凝土凝固过程的基本原理1.水泥水化反应水泥是混凝土中的主要胶凝材料，当水泥与水混合时，会发生水泥水化反应。
水泥水化反应是混凝土凝固的基础，其反应化学方程式可以表示为：C3S+H→C-S-H+CH。
其中，C3S表示三钙硅酸盐，H表示水，C-S-H表示水化硅酸钙胶凝体，CH表示游离钙氢氧化物。
这个反应过程是放热的，因此混凝土在凝固过程中会释放出热量。
2.水分流动水分在混凝土中的流动是混凝土凝固过程中重要的因素之一。
水分会随着时间的推移逐渐从混凝土表面向内部渗透，同时水泥水化反应也会不断消耗水分。
在混凝土内部，水分的流动会受到多种因素的影响，包括水泥的类型、水灰比、气孔率、温度等。
3.温度变化混凝土的凝固过程中，温度变化是一个重要因素。
水泥水化反应是放热的，因此混凝土在凝固过程中会产生大量的热量，导致温度升高。
同时，混凝土中的水分也会随着温度变化而发生相应的变化。
温度变化对混凝土的性能有着重要的影响，如温度变化会导致混凝土收缩、开裂等问题。
三、混凝土凝固过程的详细分析1.初凝阶段混凝土刚浇筑时，水泥水化反应刚开始进行，混凝土处于流动状态。
在这个阶段，混凝土的流动性能较强，可以通过振捣等方式来加强混凝土的密实性。
2.凝结阶段随着时间的推移，混凝土逐渐从流动状态转变为凝结状态。
在这个阶段，水泥水化反应逐渐加剧，混凝土内部的胶凝体逐渐形成。
同时，混凝土的温度也逐渐升高，水分的流动也逐渐减缓。
在这个阶段，混凝土的强度逐渐增加，但依然较低，需要注意施工过程中的保护。
3.终凝阶段随着时间的推移，混凝土逐渐从凝结状态转变为终凝状态。
水泥凝固原理
1.水泥凝固原理当水泥与适量旳水调和时,开始形成旳是一种可塑性旳浆体，具有可加工性。
随着时间旳推移,浆体逐渐失去了可塑性，变成不能流动旳紧密旳状态，此后浆体旳强度逐渐增长，直到最后能变成具有相称强度旳石状固体。
如果原先还掺有集合料如砂、石子等,水泥就会把它们胶结在一起，变成结实旳整体,即我们常说旳混凝土。
这整个过程我们把它叫做水泥旳凝结和硬化。
从物理、化学观点来看，凝结和硬化是持续进行旳、不可截然分开旳一种过程,凝结是硬化旳基础，硬化是凝结旳继续。
但是在施工中为了保证施工质量，规定在水泥浆体失去其可塑性此前必须结束施工，因此人们根据需要以及水泥浆体旳这个特性,人为地将这整个过程划分为凝结和硬化两个过程。
凝结是指水泥浆体从可塑性变成非可塑性,并有很低旳强度旳过程;硬化是指浆体强度逐渐提高能抵御外来作用力旳过程。
此外，对凝结过程还人为地进一步划分为初凝和终凝，用加水后开始计算旳时间来表达。
例如，国标规定：一般硅酸盐水泥初凝不得早于4５min，终凝不得迟于１２h。
使用时施工灌溉过程旳时间，必须早于4５ｍin;到终凝后,才干脱去模板开始下一种周期生产。
水泥旳凝结和硬化，是一种复杂旳物理—化学过程，其主线因素在于构成水泥熟料旳矿物成分自身旳特性。
水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化反映而变成水化物，由这些水化物按照一定旳方式靠多种引力互相搭接和联结形成水泥石旳构造,导致产生强度。
一般硅酸盐水泥熟料重要是由硅酸三钙(3ＣaO·SｉO２)、硅酸二钙(β-2CａO·SiO２）、铝酸三钙（３CaO·Al2O3)和铁铝酸四钙（4CaO·Al2Ｏ3·Fe2O３)四种矿物构成旳，它们旳相对含量大体为：硅酸三钙37~6０％，硅酸二钙15~37%,铝酸三钙7～15%，铁铝酸四钙10～18％。
这四种矿物遇水后均能起水化反映,但由于它们自身矿物构造上旳差别以及相应水化产物性质旳不同，各矿物旳水化速率和强度，也有很大旳差别。
混凝土凝固过程的原理及影响因素
混凝土凝固过程的原理及影响因素混凝土凝固过程是指混凝土从液态到固态的转变过程。
在这个过程中，混凝土中的水和水泥发生化学反应，形成胶凝体，并逐渐失去流动性，最终变为坚固的固体结构。
混凝土的凝固过程涉及多个因素的相互作用，包括水化反应、温度、湿度、外部环境等。
在本文中，我们将深入探讨混凝土凝固过程的原理及其影响因素。
1. 混凝土凝固过程的原理混凝土凝固的原理可分为两个主要方面：水化反应和水的蒸发。
1.1 水化反应混凝土中的水化反应是混凝土凝固的关键过程之一。
水泥在与水发生反应时产生水化产物，其中最重要的产物是水化硅酸钙胶凝体（C-S-H）和钙水化物（CH）。
C-S-H是混凝土中的主要胶结材料，其形成和发展决定了混凝土的强度和持久性。
水化反应是一个放热反应，也就是说，它会产生热量。
这种发热反应会加速混凝土的凝固过程，并对温度有一定的影响。
1.2 水的蒸发混凝土中的水分会随着时间的推移逐渐蒸发，这也是混凝土凝固的一个重要过程。
水的蒸发会导致混凝土中的溶质浓度升高，从而促进水化反应的进行。
但是，如果水分的蒸发速度过快，可能导致混凝土在凝固过程中产生裂缝和收缩问题。
控制混凝土中水分的蒸发速度对于确保混凝土结构的质量和可靠性非常重要。
2. 影响混凝土凝固过程的因素混凝土凝固过程的速度和质量受多种因素的影响，以下是其中几个重要因素的介绍。
2.1 水胶比水胶比是指混凝土中水的重量与胶凝材料（如水泥）的重量之比。
水胶比越低，混凝土的强度和耐久性越好，因为胶凝材料与水的反应相对充分。
然而，水胶比过低可能导致混凝土的流动性不足和与模板脱水困难。
在设计混凝土配合比时需要权衡水胶比的选择。
2.2 温度温度对混凝土凝固过程有着显著影响。
温度低于5℃时，水化反应的速率会明显降低，甚至会停止。
在低温环境下进行施工时，需要采取措施保持混凝土的温度，如使用加热设备或在混凝土中添加加热剂。
另高温环境下的水化反应速率较快，容易引起混凝土过早的凝固和龟裂。
水的凝固和融化过程
水的凝固和融化过程凝固是指物质从液态转变为固态的过程，而融化则是指物质从固态转变为液态的过程。
在这篇文章中，我们将探讨水的凝固和融化过程的原理及其重要性。
1. 凝固过程凝固是由于物质内部的分子间相互作用力增强而发生的。
对于水而言，当温度降低时，水分子之间的热运动减弱，它们开始组成规则的结构，形成冰晶体。
在凝固过程中，水分子排列成一个稳定的晶格结构，使得水从液态转变为固态。
凝固过程具有以下特点：1.1. 温度变化在凝固过程中，水的温度逐渐降低，直至达到凝固点。
对于纯净的水来说，其凝固点为0摄氏度。
值得注意的是，当我们在冬天里看到冰块形成时，实际上是冷空气将水的温度降低到冰点以下，而不是冰块自己产生冷量。
1.2. 结晶形态水的结晶形态与其凝固速度密切相关。
在快速冷却的情况下，水分子没有足够的时间进行有序排列，形成无定形的冰块。
而在缓慢冷却的条件下，水分子有充分的时间按照规则排列，形成透明的冰晶。
1.3. 液体与固体的体积水的凝固过程是伴随着体积变化的。
一般情况下，液态水会在凝固时膨胀。
然而，水在凝固过程中却出现了特殊的现象：当水温降至0摄氏度以下时，其体积会缩小，直到达到冰点时体积最小。
这意味着，当我们在冰柜中冷却一瓶水时，如果不充分留出空间，水会冻结后破裂。
2. 融化过程融化是由于物质内部分子间相互作用力减弱而发生的。
对于固体的水（冰）而言，当温度升高时，冰晶体继续吸收热量，水分子间的相互吸引力逐渐减弱，直到冰晶体内部的结构被破坏，而转变为液态水的过程即为融化。
融化过程具有以下特点：2.1. 温度变化在融化过程中，水的温度逐渐升高，直至达到融点。
对于纯净的冰而言，其融点也是0摄氏度。
2.2. 固体与液体的体积与凝固过程不同的是，融化过程中物质的体积会增大。
当固态的水融化成液态时，其体积会增加约9%。
这使得冰块融化后形成的水会比冰块的体积要大。
因此，当我们将一块冰放入容器中，随着融化，容器可能溢出。
凝固与熔化知识点总结
凝固与熔化知识点总结凝固与熔化的知识点主要包括两方面：凝固与熔化的原理和影响凝固与熔化的因素。
下面将对这两方面的知识点进行详细的总结。
一、凝固与熔化的原理1. 凝固的原理凝固是指物质由液态转变为固态的过程。
当物质处于液态时，分子间的距离较远，分子自由运动，形成无规则的分子排列；当物质受到外界条件的影响，如降温或加压，使得分子间的相互作用增强，使得分子排列开始有序，在一定条件下，形成规则的晶体结构，从而凝固成为固体。
凝固的原理可以通过凝固点和熔点来解释，凝固点是指在一定的温度下，物质由液态转变为固态，而熔点则是指在一定的温度下，物质由固态转变为液态。
不同物质的凝固点和熔点是不同的，这是由于物质的分子结构和相互作用力的不同而产生的。
2. 熔化的原理熔化是指物质由固态转变为液态的过程。
当物质处于固态时，分子间的距离较近，分子只能进行局部振动，形成有序排列的晶体结构；当物质受到外界条件的影响，如升温或减压，使得分子间的相互作用减弱，晶体结构破坏，分子开始自由移动，从而形成液态。
熔化的原理同样可以通过熔点和凝固点来解释，当物质的温度达到熔点时，固体开始熔化成为液体；而当物质的温度降低到熔点以下时，液体开始凝固成为固体。
二、影响凝固与熔化的因素1. 温度温度是影响物质凝固与熔化的最主要因素。
一般情况下，当温度升高时，物质的凝固点会升高，而熔点会降低；相反，当温度降低时，物质的凝固点会降低，而熔点会升高。
2. 压力压力也是影响物质凝固与熔化的因素之一。
在一定的温度下，增加压力会使得物质的凝固点升高，而熔点降低；减小压力则会使得物质的凝固点降低，而熔点升高。
3. 物质的性质物质的性质也会影响其凝固与熔化的过程。
比如，晶体结构的稳定程度、分子间的相互作用力强弱等因素，都会影响物质的凝固点和熔点。
4. 外界条件的影响外界条件，比如溶质的存在、溶剂的性质、晶体生长的速度等，都会影响物质的凝固和熔化过程。
总之，凝固与熔化是物质的两种状态，其原理和影响因素是非常重要的物理化学知识。
举例说明一种物质的凝固过程。
举例说明一种物质的凝固过程。
举例说明一种物质的凝固过程一、溶液中的物质凝固的基本原理在化学过程中，物质从液体状态转变为固体状态的过程称为凝固。
凝固过程是物质的分子或离子在一定条件下由无序状态向有序状态转变的过程。
溶液中的物质凝固也是基于这一原理进行的。
二、糖溶液的凝固过程糖溶液是我们常见的溶液之一，下面我们以糖溶液的凝固过程为例，来说明物质的凝固过程。
1. 温度对糖溶液凝固的影响温度是影响糖溶液凝固过程的重要因素之一。
一般来说，随着温度的降低，糖溶液的凝固速度会加快。
这是因为在低温下，分子的热运动减慢，使得糖分子之间的相互作用力增强，有利于凝固的进行。
2. 添加剂对糖溶液凝固的影响在糖溶液中添加一些特定的剂量，可以显著地改变糖溶液的凝固性质。
例如，添加一定量的酸性物质，可以促进糖溶液的凝固速度；而如果添加碱性物质，可能会延缓糖溶液的凝固过程。
这是因为剂量的加入改变了糖分子之间的相互作用力，影响了凝固的进行。
3. 溶液浓度对糖溶液凝固的影响溶液中物质的浓度也是决定凝固过程的重要因素之一。
一般来说，溶液浓度较高时，凝固的速度也会相对较快。
这是因为高浓度的糖溶液中糖分子之间的相互作用力相对较强，有利于凝固的进行。
4. 结晶过程对糖溶液凝固的影响在糖溶液中，凝固的过程实际上是糖分子或离子结晶的过程。
结晶是物质从液体状态到固体状态的转变。
在结晶过程中，糖分子或离子在溶液中逐渐重新排列，形成有序的晶体结构。
5. 凝固后的糖晶体的形状与质量糖溶液在凝固后形成的糖晶体具有不同的形状和质量。
这是由糖分子结晶的条件、速度以及结晶过程中的溶剂等因素共同决定的。
一般来说，较慢的结晶速度有利于形成较大的糖晶体，而快速结晶往往会形成小颗粒状的糖晶体。
总结：糖溶液凝固是物质从液体到固体状态转变的一个典型例子。
它受到温度、添加剂、溶液浓度以及结晶过程等多种因素的影响。
通过深入了解这些影响因素，我们可以更好地理解物质凝固的原理和过程。
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Chapter 3 – Principles of Solidification 凝固原理
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Objectives of Chapter 3
Study the principles of solidification as they apply to pure metals. Examine the mechanisms by which solidification occurs. Examine how techniques such as welding, brazing, and soldering are used for joining metals.
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Section 3.2 晶核的形成(Nucleation)
Nucleation - The physical process by which a new phase is produced in a material. Critical radius (r*) - The minimum size that must be formed by atoms clustering together in the liquid before the solid particle is stable and begins to grow. Undercooling - The temperature to which the liquid metal must cool below the equilibrium freezing temperature before nucleation occurs. Homogeneous nucleation - Formation of a critically sized solid from the liquid by the clustering together of a large number of atoms at a high undercooling (without an external interface). Heterogeneous nucleation - Formation of a critically sized solid from the liquid on an impurity surface. 10
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Section 3.1 金属结晶的条件和一般过程
3.1.1冷却曲线与过冷(undercooling)现象
热分析法研究材料的凝固过程是把液态金属置于容器中缓慢冷却， 通过测定温度与时间的关系—冷却曲线来分析的。 在没有相变发生的情况下，金属在液态或固态的冷却过程中，温 度随时间而直线下降。在结晶过程中，由于结晶潜热的释放，补 充了甚至超过了容器的散热量，从而在冷却曲线上出现温度下降 缓慢，或保持不变甚至还有回升的现。由此确定结晶开始和结晶 终了的温度和时间。 金属熔点或凝固点，就是结晶的理论温度Tm）。实际开始结晶的 温度Tn，总是低于Tm，称为过冷现象。过冷度ΔT=Tm-Tn 。 冷却速度越大。则过冷度越大，即实际结晶温度越低。 对于一定的金属来说，过冷度有一最小的临界过冷度，若过冷度 小于此值结晶过程就不能进行。
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பைடு நூலகம்
Figure An image of a bronze object. This Canteen (bian hu) from China, Warring States period, circa 3rd century BCE (bronze inlaid with silver).
Figure (a) Aluminum alloy wheels for automotives, (b) optical fibers for communication.
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3.1.2 金属结晶的热力学条件
由热力学第二定律-等温等压下，系统总是从自由能较高的状态向 自由能较低的状态自发转变。（最小自由能原理） 液态和固态的体积自由能，都随温度的升高而降低。GL随温度的 变化曲线较陡，GS随温度的变化曲线较缓。液态和固态自由能相 等时所对应的温度 ，即为理论结晶温度Tm 。 当T=Tm时, GL=GS ，液态并无转变为固态的自发趋势。只有当 T< Tm时，GS <GL ，才有可能使自由能降低，从而自发结晶。 液相和固相的体积自由能之差，构成了结晶的驱动力。 液相和固相的界面能，构成了结晶的阻力。只有依靠体积自由能 的降低来补充界面能的升高，结晶过程才能进行。 液、固相的体积自由能差ΔGv= GS-GL 。ΔGv<0就是金属结晶的 热力学条件。然而，它并不是结晶的充分条件，因为还要考虑结 晶的阻力。
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Figure The total free energy of the solid-liquid system changes with the size of the solid. The solid is an embryo if its radius is less than the critical radius, and is a nucleus if its radius is greater than the critical radius
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Example 3.1 Calculation of Critical Radius for the Solidification of Copper
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3.1.3 结晶的微观过程
无论是非金属还是金属，结晶过程都是形核与长大的过程。液态 金属结晶时，首先形成一些微小而稳定的晶体，它们就是晶体长 大的核心，故称为晶核。这些晶核逐渐长大，在先形成的晶核长 大过程中，又有新的晶核形成，直至液态金属全部消失。 由于每个晶核的晶体学位向不同，在结晶完成之后，由一个晶核 长成的一部分晶体，其位向相同，形成一个小单元，这就是晶粒。 晶粒与晶粒的交界面称为晶界。因此，在一般结晶条件下，都得 到由很多晶粒组成的多晶体。如果要得到单晶体，就必须采取措 施，保证结晶过程是由一个晶粒长大而成。
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Figure (a) Cooling curve for a pure metal that has not been well inoculated. Liquid cools as specific heat is removed (betweens points A and B). Undercooling is thus necessary (between points B and C). As the nucleation begins (point C), latent heat of fusion is released causing an increase in the temperature of the liquid. This process is known as recalescence (point C to point D). Metal continues to solidify at a constant temperature (T melting). At point E, solidification is complete. Solid casting continues to cool from the point. (b) Cooling curve for a well inoculated, but otherwise pure metal. No undercooling is needed. Recalescence is not observed. Solidification begins at the melting temperature
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3.2.1 均匀形核
1. 结构起伏与晶胚 在液态金属中，特别是过冷液体中，还存在着无数类似于晶体结 构的近程有序原子小集团。其特点是大小不等，取向各异，此起 彼伏，瞬息万变。---结构起伏(相起伏)。 从能量的角度看，相起伏的出现，会从两个方面引起体系自由能 的改变。一是相起伏内部的体积自由能，已经不是液态的自由能， 它相当于固相的自由能。二是相起伏与周围液体之间也产生了界 面能。当T>Tm 时，体积自由能与表面能都升高，整个体系的自 由能必然升高，相起伏极不稳定，即现即逝。当T<Tm时，表面能 仍然是升高的，而体积自由能却低于液体，这就使相起伏有可能 稳定存在，并成为结晶的核心。因此，人们把过冷液体中的相起 伏，笼统地称为晶胚(embryo)。 随着温度的降低，晶胚尺寸倾向增大。而且在一定温度下，存在 一个最大晶胚半径 ，温度越低，最大晶胚半径 越大，。 12
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Chapter Outline
3.1 3.2 3.3 3.4 金属结晶的条件和一般过程 晶核的形成(Nucleation) 晶体的长大(Growth) 晶粒大小及其控制
物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是 指物质状态的变化，并不考虑固态的结构。只有物质从液 态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义 的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种 规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属 （晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一 次结晶，后者称为二次结晶或重结晶。它们都属相变过程。
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3.2.1 均匀形核
2.临界晶核半径
G V Gv A
4 G r 3 Gv 4 r 2 3
d G dr 0
rc
Gv
rc
2 Gv
Lm T Tm
2 Tm Lm T
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Figure An interface is created when a solid forms from the liquid